離子敏場效應晶體管

1970年Bergveld將普通的金屬一氧化物一半導體場效應晶體管(MOS-FET)去掉金屬柵極，讓絕緣體(SiOz)與溶液直接接觸，得到的源漏電流與響應離子的濃度呈線性關係，這就是世界上第一個ISFET，從此揭開了ISFET研究的序幕。隨後美國、日本和西歐也相繼開始了離子敏場效應晶體管的研究開發。

1975年Moss將敏感材料澱積在絕緣柵上，成功製作了K+ ISFET。幾十年來，人們已研製和開發出H⁺、K⁺、Na⁺、F^-、Br^-、I^-、Ag⁺、CN^-等ISFET。此外，在ISFET基礎上發展起來的還有NH₃、H₂S、H₂、CO、CO₂以及青黴素、抗原(或抗體)等生物傳感器件。近年來，作為生物傳感器的一個分支，ISFET正在蓬勃發展，並且在臨牀醫學、環境監測、工業控制和有毒物質的探測中得到了廣泛應用。 ^[1] 

ISFET器件的結構與去掉金屬柵的MOSFET極為相似(如圖1所示),其絕緣柵直接與電解液接觸,絕緣層一電解液界面的電勢與電解液中離子濃度有關。溶液中離子濃度的改變將引起侶FET器件閡值電壓相應的改變。ISFET傳感器柵絕緣體的選擇應具備以下三個性質：

(1)鈍化硅表面,減少界面態和固定電荷；

(2)具有抗水化和阻止離子通過柵材料向半導體表面遷移的特性；

(3)對所檢測離子具有靈敏度和選擇性。

採用一種材料滿足以上全部要求是不可能的,因此以雙層或三層材料作為ISFET的柵是極為必要,每種材料滿足一種或多種要求。多年來對硅材料研究結果表明Si₂O₃是硅表面最好的鈍化材料。抗水化和離子遷移材料的選擇通常依賴於微電子工藝兼容性及膜附着性,無機絕緣體Si₃N₄、Al₂O₃、Ta₂O₅等可以滿足這一要求且對H幹離子有較高靈敏度和選擇性，已被廣泛採用。 ^[2] 

種類繁多的ISFET傳感器基本上可以按敏感層的敏感機理分為三類：（1）阻擋型界面絕緣體;（2）非阻擋型離子交換膜；（3）固定酶膜。所有ISFET傳感器的硅表面鈍化層和防水化層是相同的,所不同的僅是離子敏感層的表面。

阻擋型界面絕緣體包括不水化的無機絕緣體,如Si₃N₄、Al₂O₃、Ta₂O₅及疏水性聚合物,如聚四氟乙烯(teflon)和聚對亞苯基二甲基(payrlene)。由於電解液一絕緣體界面完全阻擋(可極化),因此E-I界面無質量和電荷傳輸。E-I界面勢由絕緣體表面吸附帶電離子和電解液中反一號平衡電荷所決定。這種類型的E-I界面滿足表面基模型。

非阻擋型離子交換膜包括傳統ISE通常使用的材料,如固態膜、液態膜、摻金屬離子的玻璃等。電解液一離子交換膜界面電勢由溶液中離子濃度和膜內離子濃度之差決定,平衡時化學勢相等。由於非阻擋離子交換膜一電解液界面有質量和電荷傳輸穿過表面進人膜體內,因此描述界面勢的理論完全不同於阻擋型絕緣體一電解液界面理論。

固定酶膜由聚合物基質(如PVA)和一種固定化酶(如葡萄糖氧化酶)組成,又稱酶FET或ENFET。溶液中被測物質與酶反應(或直接或酶作為催化劑)並釋放某種可以被ISFET敏感的產物(如H+離子),能夠實現對生物分子的檢測。在眾多的ISFET中以H+離子敏感ISFET最為基本和重要。 ^[2] 

離子敏場效應晶體管（ISFET）按照敏感膜的不同一般可分為以下幾種：

其敏感膜一般為無機絕緣柵、固態膜或有機高分子PVC膜，用於檢測NH₄⁺、H⁺、K⁺、Na⁺、F^-、Cl^-等無機離子。

酶ISFET由一層含酶的物質與ISFET相結合所構成，即在敏感柵表面固定一層酶膜，利用酶與底物之間高效、專一的反應進行選擇性地測定，是研究最多的一種場效應管生物傳感器。當待測底物與酶接觸時反應生成新的物質，引起敏感膜附近局部的離子濃度變化，從而導致柵極表面電荷變化，產生依賴於待測底物濃度的電信號。在酶場效應管的研究中，除了極少數是基於其它離子敏感場效應管外，絕大多數都是由H+離子敏場效應管構成。

免疫FET是由具有免疫反應的分子識別功能敏感膜與ISFET相結合所構成，其中包括非標記免疫FET和標記免疫FET兩種。前者是將抗體固定在膜基質上，固定化的抗體可將抗原結合到膜表面，形成抗體一抗原複合物，引起膜的電荷密度和離子遷移的變化，從而導致膜電位的變化，稱為非標記免疫場效應管；而後者是在抗原中加入一定量的酶標記抗原，酶標記抗原和未標記的抗原相互競爭，都可以與膜表面的抗體結合，形成抗體一抗原複合物，通過對標記酶量的測定從而獲得待測抗原的信息，這類稱為標記免疫場效應管。除了固定抗體外，也可以固定抗原，利用同樣的原理進行檢測。臨牀醫學方面，放射免疫法常需要免疫FET檢測各種抗原和抗體，該分析方法靈敏度極高，但需要的儀器藥品價格昂貴，且事後放射性廢物的處理也比較麻煩。因此，專家們對非放射性免疫法的研究十分重視。目前，利用抗原與抗體之間的高選擇特性，各種基於免疫FET的傳感器的研製已經獲得初步成功。

組織FET是由哺乳動物或植物的組織切片作為分子識別元件與ISFET相結合所構成。由於組織只是生物體的局部，組織細胞內的酶品種可能少於生命整體的微生物細胞內酶品種，因此組織FET可望有較高的選擇性。組織FET實際上也是酶FET，是利用天然組織中酶的催化作用，這種酶存在於天然的動植物組織內，有其他生物分子的協同作用，因而十分穩定。基於組織FET製成的傳感器壽命較長，人工提取後純化過的酶，價格異常昂貴，且酶蛋白分子一旦離開天然的生物環境，其壽命也就大大縮短，用動植物組織代替純酶，取材容易，易於推廣應用。最早提出組織傳感器的是Rachnitz，當時他將豬腎組織切片覆蓋在氨氣敏感電極上製備成可測谷氨醯胺的傳感器。

微生物FET 是由具有分子識別能力的微生物與ISFET相結合構成。其原理是利用微生物對某些特定物質的轉化作用，產生可被ISFET檢測到的信號。微生物FET的測定原理有兩種類型：一類是利用微生物在同化底物時消耗氧的呼吸作用；另一類是利用不同的微生物含有不同的酶，這與動植物組織一樣，把它作為酶源。微生物分好氧性和厭氧性兩類，好氧性微生物在繁殖時需要消耗大量的氧，從氧濃度的變化來觀察微生物與底物的反應情況，通常用氧電極來測定。 ^[1] 

ISFET是一種微電子離子選擇性敏感元件，兼有電化學和晶體管的雙重特性，與傳統離子選擇電極相比，它具有以下優點：

(1)靈敏度高，響應快，檢測儀表簡單方便，輸入阻抗高，輸出阻抗低，兼有阻抗變換和信號放大的功能，可避免外界感應與次級電路的干擾作用；

(2)體積小，重量輕，特別適用於生物體內的動態監測；

(3)不僅可以實現單個器件的小型化，而且可以採用集成電路工藝和微加工技術，實現多種離子和多功能器件的集成化，適於批量生產，成本低，並具有微型化、集成化的發展潛力；

(4)可以實現全固態結構，機械強度大，適用範圍廣，適應性強；

(5)易於與外電路匹配，使用方便，並可與計算機連接，實現在線控制和實時監測；

(6)ISFET的敏感材料具有廣泛性，不侷限於導電材料，也包括絕緣材料。 ^[1] 

ISFET具有寬廣的離子測量範圍，在環境保護、化工、礦山、地質、土壤、水文、軍事以及家庭生活中得以應用。尤其是其微型化的特點，使之在生物醫學領域中應用廣泛，且具有很強的生命力。

臨牀醫學中，主要的檢查對象是人或動物的體液(包括血液、腦髓液和汗液等)和活性組織。由於人體內除了尿液和汗液外，其它體液的組成在身體正常與不正常的情況下變化很小，而ISFET可以迅速而準確地檢測出人或動物體液中某些與身體器官病態有關的無機離子(如H⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、F^-等)的微量變化，這就為正確診斷病情和臨牀搶救提供了可靠的依據。例如，血液中pH值過高或過低會引起鹼、酸中毒現象，血液中K⁺過多或過少會引起心律過速或心臟搏動過侵；血液中鈉鹽過多會加重心力衰竭等。連續監測患者體液中與病態有關的無機離子的濃度對臨牀醫學的研究具有非常重要的意義。

在生理研究中，還可以利用酶FET、免疫FET、微生物FET等製成傳感器測量人或動物體液中的糖類、脂、醇、各種氨基酸、維生素等分子以及O₂、CO₂、NH₃等氣體。ISFET在檢測中可以是無損傷的，而且需要的樣品量極少，在連續檢測中無需取出樣品，大大減少了患者的痛苦和恐懼感。

有機毒物、無機毒物、農藥及生活廢水等對水體、大氣和土壤的污染能使動植物和人類中毒。ISFET在大氣污染的監測中具有重要作用，監測的內容很多，如通過檢測雨水中各種離子的濃度監測大氣污染的情況，並採用對各種離子敏感的ISFET及測量系統集成化的離子敏感探頭迅速查明污染原因。另外，用ISFET對魚類以及其它水生動物血液中有關離子的檢測，可以確定水域污染的情況及其對生物的影響。用ISFET還可以檢測植物不同生長期內的離子，以研究植物在不同生長期對營養成分的需求，以及土壤污染對植物生長的影響等。

在某些作戰坦克上常裝有ISFET化學傳感器，其主要目的是：①鑑別敵方使用的化學武器、生物武器或基因武器的類別，檢測有毒物質的散佈範圍和濃度；②對戰地環境中的大氣、水源和食品進行毒性檢測；③傷病員病因診斷。檢測的對象包括：化學武器(如窒息性、神經性、血液和起泡性毒劑)、毒素類武器(如相思子毒素、黃麴黴素、肉毒素、破傷風毒素等)以及細菌真菌類武器等。在司法工作中，ISFET化學傳感器也常用於案件偵破、法醫學等。

ISFET可用於土壤中某些營養物質的測定，同時也可測定某些肥料分解轉化產物。為了判斷土壤肥力，對氮素的供應狀況通常利用植株中的氨基酸來判斷。傳統的比色法受植株顏色的干擾，且不能區分不同的氨基酸，而ISFET則不受這些限制。某些微量元素的增產機理實際上與酶的活性有關，微量元素並不直接參與種子內部澱粉、糖類或蛋白質的生成，而是經過酶的活性中心促進合成過程，利用ISFET傳感器可研究微量元素的作用。土壤中發生的化學過程實際上是一個複雜的無機一有機一生物化學過程，其無機組分和動植物殘體分解產物形成的無機一有機複合物是土壤膠體化學研究的主要內容。酶在複合物的形成過程中具有重要的作用，因此ISFET可以應用於土壤中氮素和磷素轉化各階段產物及轉化過程的動態研究。同樣，在土壤中發生的電化學過程也不單純是無機物之間的傳質過程，而是伴隨着有酶參與的反應，因此，ISFET傳感器也可應用於土壤的生物電化學研究。 ^[1]