Transistor d'efecte de camp sensible a ions

Un transistor d'efecte de camp sensible a ions (ISFET) és un transistor d'efecte de camp utilitzat per mesurar concentracions d'ions en solució; quan la concentració d'ions (com ara H⁺, vegeu l'escala de pH) canvia, el corrent a través del transistor canviarà en conseqüència. Aquí, la solució s'utilitza com a elèctrode de porta. Una tensió entre el substrat i les superfícies d'òxid sorgeix a causa d'una funda iònica. És un tipus especial de MOSFET (transistor d'efecte de camp d'òxid metàl·lic i semiconductor),^[1] i comparteix la mateixa estructura bàsica, però amb la porta metàl·lica substituïda per una membrana sensible als ions, solució d'electròlits i elèctrode de referència.^[2] Inventat el 1970, l'ISFET va ser el primer biosensor FET (BioFET).

La hidròlisi superficial dels grups Si-OH dels materials de la porta varia en solucions aquoses a causa del valor del pH. Els materials de la porta típics són SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ i Ta₂O₅.

El mecanisme responsable de la càrrega superficial de l'òxid es pot descriure mitjançant el model d'unió del lloc, que descriu l'equilibri entre els llocs de superfície Si-OH i els ions H⁺ de la solució. Els grups hidroxil que recobreixen una superfície d'òxid com la del SiO₂ poden donar o acceptar un protó i, per tant, comportar-se de manera amfòtera, tal com s'il·lustra amb les següents reaccions àcid-base que es produeixen a la interfície òxid-electròlit:

—Si–OH + _H2O ↔ —Si–O⁻ + H₃O⁺

—Si–OH + H₃O ⁺ ↔ —Si–OH₂⁺ + H₂O

La font i el drenatge d'un ISFET es construeixen com per a un MOSFET. L'elèctrode de la porta està separat del canal per una barrera que és sensible als ions d'hidrogen i un buit per permetre que la substància a prova entri en contacte amb la barrera sensible. La tensió llindar d'un ISFET depèn del pH de la substància en contacte amb la seva barrera sensible als ions.