【正文】 器。 ISFET結構和測量電路圖 52 在一高純 P型薄硅片上擴散兩個高摻雜的 N形區(qū)，分別作為源極（ S）和漏極（ D），源漏極間的硅片表面覆蓋氧化物 SiO2薄層，再沉積一金屬層，構成柵極（ G）。這樣柵極到硅片為金屬 氧化物 半導體機構。 在柵極 /源極間施加電壓 Vg、漏極 /源極間施加電壓 Vd，則流過漏極 /源極的電流 Id是 Vg和 Vd的函數(shù)。 若將金屬柵極去掉，代之以離子選擇性電極的離子敏感膜，并經待測溶液和參比電極組成柵極 /源極回路，則離子敏感膜 /溶液界面的膜電位將疊加在 Vg上，并引起 Id信號的變化。 在 MOSFET的非飽和區(qū)內 Id與響應離子的活度之間仍有類似于能斯特公式關系，這就是 ISFET定量測定的基本原理。 53 ISFET的電流電壓特性如下圖所示，漏極電流 Id 在漏源之間的電壓 Uds低時，依賴于 Uds而流動，但 Uds升高時，由于漏極一側的耗盡層寬度變大，便與 Uds無關而趨于飽和（飽和區(qū)域）。 非飽和區(qū)域： ISFET電流電壓特性圖 飽和區(qū)域： 式中 : UT:絕緣物與半導體之間的閾值電壓； C:由 FET尺寸所決定的常數(shù)； 54 Ugs:柵壓（偏壓）； ：參比電極電位； ：感應膜界面電位。 ISFET有下列特點： 1. 離子敏感膜沉積在微小硅片上，可制成全固態(tài)結構。 2. 在一片硅片上排列幾種離子敏感材料，可發(fā)展成多元敏感微型探針。 3. 沒有內參溶液，適應的溫度范圍寬。 4. 器件雜散電容小，工作頻帶寬，且可將其設置在低輸入阻抗的前置放大器內，制成集成電路，測量線路簡單。 ISFET的性能參數(shù) ： ISFET柵極上的離子敏感選擇性膜是決定 ISFET工作性能優(yōu)劣的關鍵，但是它的專一性不是絕對的，會不同程度地受到干擾離子的影響，因此 ISFET的性能指標應該反映這方面的性能。 55 （ Nernst）響應 ISFET的功能是將溶液中被測離子的活度轉換成一定的電流（電壓）輸出。換句話說， ISFET的漏極電流（或輸出電壓）隨著離子活度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為響應。在一定的離子活度變化范圍內，如果這種響應符合 Nernst方程，就稱為 Nernst響應。 它的特點是溶液中離子活度的對數(shù)與 ISFET的漏極電流（或輸出電壓）呈線性關系。 式中 : 分別是與器件幾何尺寸、結構、柵源電壓、漏源電壓等有關的常數(shù) 。 分別表示氣體常數(shù)，絕對溫度，離子的價數(shù)，法拉第常數(shù)，待測離子的活度。 2. 選擇系數(shù) ISFET的 Nernst響應是依靠離子敏感膜上的某種響應離子的交換反應和膜內電荷的遷移來完成的。但是在實際的體系中，一般情況下總是存在著多種離子。如果非待測離子也參與上述兩種過程，將對檢測產生干擾。為了進一步說明這個問題，采用如下普遍的 Nernst方程： 56 式中： 是 Nernst電位，其值取決于敏感膜材料、離子吸附、離子交換等因素； 為常數(shù)； 分別表示待測離子和干擾離子的活度； 為選擇系數(shù)，它表示非待測離子所引起的干擾，使判斷器件選擇性優(yōu)劣的重要標準。 多種干擾離子的存在所產生的誤差可由下式進行估計： 誤差 當 時，表明器件對待測離子的選擇性好； 當 時，表明器件對待測離子和干擾離子的影響相等，選擇性差； 當 時，表明器件對干擾離子的響應超過了待測離子。 3. 線性范圍和檢測下限 線性范圍是指 ISFET在測量過程中得到的校正曲線的直線部分，即為符合 Nernst方程的部分。 檢測下限是指 ISFET在溶液中能夠測量待測離子的最低活度，也就是校正曲線的直線延長線和曲線的水平且線的交點所對應的活度。 實際測量中離子選擇性電極只是在一定的活度區(qū)間與被測離子活度的對數(shù)呈線性關系。受共存離子、試劑空白、活性物溶解度等的影響，活度太低或太高時會偏離這種線性關系曲線。若以被測離子濃度取代活度作圖，則往往比被測離子活度的線性區(qū)域更窄些，以離子選擇性電極和參比電極組成的電池進行測試，電池電動勢（ E）對活度（ a， mol/L）的典型響應曲線如圖所示。 電池電動勢（ E）對活度（ a，mol/L）的典型響應曲線 58 線性范圍即 AB段所對應的活度范圍， B點以下的活度改變所引起的電位變化變得越來越小，在 DE段幾乎不敏感。分別將 AB線和 DE線延長交至 C點， C點對應得離子活度就是該離子選擇性電極的檢測下限。 4. 斜率、轉換系數(shù)及響應時間 斜率是指 Nernst響應范圍內，待測離子的活度變化 10倍時所引起電位的變化值。它反映了 ISFET的轉換功能。 響應時間一般定義為從 ISFET和參比電極接觸到待測溶液起，到器件輸出電壓比穩(wěn)定電壓相差 1mV所需的時間，也有定義為器件電流值達到平衡值的 95%所需要的時間。 影響離子選擇性電極響應時間快慢的因素有： ① 敏感膜的組分和性質；② 膜的厚度；③ 膜表面的光潔度；④ 參比電極的穩(wěn)定性；⑤ 液接電位的穩(wěn)定性；⑥ 溶液的組成與濃度（在濃溶液中比在稀溶液中的響應要快）；⑦ 攪拌速度；⑧ 溫度等 離子選擇電極經過長期使用會逐漸老化，此時電極響應時間延長、斜率偏低而逐漸失效。電極的使用壽命是指電極保持其 Nernst響應功能的時間長短。影響電極使用壽命的主要因素有電極的類型和膜的組成結構和使用的次數(shù)及使用的環(huán)境條件。 59 離子敏選擇性電極的特點和應用 自 20世紀初，離子敏選擇電極被應用以來，一直都受到分析工作者的廣泛重視，與其他現(xiàn)代定量儀器分析法相比，離子選擇電極具有許多獨特的優(yōu)點。 1. 離子選擇電極的特點 (1) 離子選擇電極的測定不受溶液顏色、渾濁度、懸浮物等因素 的影響，這樣可方便的進行原液、原位分析。 (2) 分析速度快，典型的單次分析只要 1~2min。 (3) 電極輸出為電信號，不需要經過轉換就可以直接測量記錄。 (4) 電極法測量的范圍廣，靈敏度高，一般可達 4~6個濃度數(shù)量級差。 (5) 能制成微型電極，甚至做成管徑小于 1um的超微型電極，可用于單細胞及活體檢測。 (6) 離子選擇電極法還有一些獨特之處，離子電極電位所響應的是溶液中給定離子的活度，而不是一般分析中離子的總濃度。這在某些場合下具有重要的應用。 60 2. 離子選擇電極的應用 離子選擇電極的主要應用范圍可歸納為科學研究、環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學及工農業(yè)生產四大方面。 從離子選擇電極的應用情況來看，其未來的發(fā)展方向是： ① 繼續(xù)提高 ISE的選擇性。這是保證被測品不經過特殊分離直接進行測定的基本條件。 ② 研制具有長期穩(wěn)定性、長壽命的堅固耐用的 ISE。這對于工農業(yè)生產自動控制、環(huán)境再線監(jiān)測等方面有著重要的意義。 ③ 開發(fā)對身體無毒的微型電極，這是臨床分析及藥理研究中非常需要發(fā)展的電極。如將藥物 ISE用于體內藥物有效濃度的現(xiàn)在線檢測，就可以改變離體測量費時且不能反映基體實際狀態(tài)的情況，有利于指導合理治療及用藥。體內在線檢測要求 ISE的體積很小，且對身體無毒害作用。 61 思考題 1. 簡述化學傳感器和生物傳感器的區(qū)別。 2. 試述概念 :氣體傳感器 ,氣敏元件的選擇性 ,陰離子吸附 ,陽離子吸附 ,物理吸附 ,化學吸附。 3. 影響氣體傳感器氣敏特性的因素有哪些？ 4. 簡述半導體氣敏傳感器的概念和分類 。 5. 半導體氣體傳感器的敏感機理有哪些，請簡要說明之。 6. 氣體傳感器有哪些類別？ 7. 無機半導體氣體傳感器的加熱電阻絲有什么作用？ 8. 簡述改善氣敏元件的氣體選擇性的常用方法 。 9. 試說明醫(yī)用二氧化碳氣體分析儀的工作原理。 10. 試述離子選擇電極在各個領域中的應用。 參考資料 （插 圖）