Светоадресуемый потенциометрический сенсор

Новый вариант полупроводникового потенциометрического прибора предложила недавно калифорнийская компания Molecular Devices Corp. Преобразователь назван светоадресуемым потенциометрическим сенсором (САПС) (LAPS – light addressable potentiometric sensor) и представляет дальнейшее развитие идеи управления параметрами полупроводника за счет внешнего электрического поля. Авторы, создавшие этот прибор, ставили задачу разработки потенциометрического преобразователя, который обладал бы свойствами ИСПТ по соотношению входного и выходного сопротивлений и, кроме того, позволял бы увеличить число регистрируемых биохимических реакций без заметного усложнения конструкции прибора. САПС, как и ИСПТ, представляет полупроводниковый преобразователь, который за счет влияния внешнего электрического поля на состояние полупроводника регистрирует изменение поверхностного потенциала, возникающего на границе раздела электролит-диэлектрик. Главной особенностью САПС, отличающей его от ИСПТ, является возможность считывать химический сигнал с любой точки преобразователя с помощью световой адресации.

На рис. 15 показано устройство прибора и принцип его функционирования. Преобразователь представляет собой тонкую кремниевую пластину р- или n-типа, которая контактирует с электролитом. Диэлектриком, отделяющим кремний от электролита, является оксинитрид кремния толщиной 100 нм. Постоянный ток, текущий через диэлектрик, пренебрежимо мал и составляет величину порядка единиц нА/см. Для функционирования преобразователя через контролирующий электрод необходимо подать потенциал смещения F. Контролирующий электрод является также электродом сравнения, поскольку включен в цепь измерения фототока. Знак и величина F подбираются такими, чтобы создать зону истощения зарядов на границе диэлектрик–полупроводник. В таком состоянии в полупроводнике при освещении поверхности импульсным светом возникает переменный фототок.

Одним из вариантов освещения может явиться применение светодиодов. Освещение различных точек преобразователя позволяет измерять переменный фототок поочередно в каждой из них и независимо регистрировать происходящие там электрохимические процессы. Фототок изменяется от минимального значения, близкого к нулю, при положительном (прямом) смещении, до максимального при обратном смещении (изменение потенциала в сторону отрицательных значений). Поскольку диэлектрическая мембрана из оксинитрида кремния обладает рН–чувствительностью и в растворах с различным значением рН на границе электролит–мембрана образуются различные по величине потенциалы, они складываются с потенциалом смещения F и приводят к сдвигу фототока (рис. 16). На этом эффекте основано из-мерение рН раствора с помощью САПС. Кроме концентраций протонов, преобразователь позволяет регистрировать окислительно-восста-новительный потенциал, а также потенциал мембраны (например, валиномициновой), размещенной на поверхности оксинитрида кремния. Для измерения окислительно-восстановительного потенциала на поверхность диэлектрика наносятся небольшого размера золотые площадки. Когда в электролите содержатся редокс-пары, например ферри–ферроцианид, потенциал золотого контакта определяется соотношением их концентраций по закону Нернста.

контролирующий электрод

F

I

тест-объект

 

 

А В С Д

 

Рис. 15. Схема СПРС. F – потенциал смещения; А-Д – источники

Импульсного света.

 

 

 

Рис. 16. Зависимость фототока через САПС от потенциала смещения и рН

 

Областью применения САПС являются высокочувствительные измерения ферментной активности, например, в иммуноферментном анализе. Фермент должен выбираться таким образом, чтобы результатом реакции явилось изменение рН или редокс-потенциала.

Практический интерес всегда представляет вопрос о чувствительности измерительного устройства. В отношении САПС можно отметить две его особенности. Первая состоит в том, что САПС обладает высокой потенциометрической стабильностью; так, дрейф поверхностного потенциала составляет 0,1 мкВ/c, что соответствует 1,7×10^-6 pH/с. Вторая относится к регистрации биохимических реакций, сопровождающихся изменением рН. Если исследуемый фермент встроен в матрицу или иммобилизован на поверхности полупроводника, буферный эффект окружающего электролита в САПС может быть максимально снижен за счет уменьшения объема раствора, контактирующего с диэлектриком, до величин порядка нанолитров. Демонстрируя возможность изучения нескольких процессов, авторы разработки САПС исследовали кинетику биохимических реакций, протекающих одновременно в 23 точках поверхности преобразователя. Сообщается также о создании на основе САПС биохимического сенсора для определения следовых количеств (10^-12 г/мл) ДНК. По мнению авторов разработки, с помощью САПС можно получить высокую степень миниатюризации биосенсорных устройств и реализовать принцип многоканальности при высокой чувствительности датчика.