[科普中国]-离子敏场效应晶体管

离子敏场效应晶体管（Ion sensitive field effect transistor ISFET） 是一种微电子离子选择性敏感元件，兼有电化学和晶体管的双重特性。ISFET以其敏感区面积小、响应快、灵敏度高、输出阻抗低、样品消耗量少、易于批量制造和成本低等优势，在临床、食品、环境、军事甚至机器人方面都得到应用，特别是在生物化学传感器领域将扮演着越来越重要的角色

简介1970年Bergveld将普通的金属一氧化物一半导体场效应晶体管(MOS-FET)去掉金属栅极，让绝缘体(SiOz)与溶液直接接触，得到的源漏电流与响应离子的浓度呈线性关系，这就是世界上第一个ISFET，从此揭开了ISFET研究的序幕。随后美国、日本和西欧也相继开始了离子敏场效应晶体管的研究开发。

1975年Moss将敏感材料淀积在绝缘栅上，成功制作了K+ ISFET。几十年来，人们已研制和开发出H+、K+、Na+、F-、Br-、I-、Ag+、CN-等ISFET。此外，在ISFET基础上发展起来的还有NH3、H2S、H2、CO、CO2以及青霉素、抗原(或抗体)等生物传感器件。近年来，作为生物传感器的一个分支，ISFET正在蓬勃发展，并且在临床医学、环境监测、工业控制和有毒物质的探测中得到了广泛应用。1

器件结构ISFET器件的结构与去掉金属栅的MOSFET极为相似(如图1所示),其绝缘栅直接与电解液接触,绝缘层一电解液界面的电势与电解液中离子浓度有关。溶液中离子浓度的改变将引起侣FET器件阂值电压相应的改变。ISFET传感器栅绝缘体的选择应具备以下三个性质：

(1)钝化硅表面,减少界面态和固定电荷；

(2)具有抗水化和阻止离子通过栅材料向半导体表面迁移的特性；

(3)对所检测离子具有灵敏度和选择性。

采用一种材料满足以上全部要求是不可能的,因此以双层或三层材料作为ISFET的栅是极为必要,每种材料满足一种或多种要求。多年来对硅材料研究结果表明Si2O3是硅表面最好的钝化材料。抗水化和离子迁移材料的选择通常依赖于微电子工艺兼容性及膜附着性,无机绝缘体Si3N4、Al2O3、Ta2O5等可以满足这一要求且对H干离子有较高灵敏度和选择性，已被广泛采用。2

按敏感机理分类种类繁多的ISFET传感器基本上可以按敏感层的敏感机理分为三类：（1）阻挡型界面绝缘体;（2）非阻挡型离子交换膜；（3）固定酶膜。所有ISFET传感器的硅表面钝化层和防水化层是相同的,所不同的仅是离子敏感层的表面。

阻挡型界面绝缘体阻挡型界面绝缘体包括不水化的无机绝缘体,如Si3N4、Al2O3、Ta2O5及疏水性聚合物,如聚四氟乙烯(teflon)和聚对亚苯基二甲基(payrlene)。由于电解液一绝缘体界面完全阻挡(可极化),因此E-I界面无质量和电荷传输。E-I界面势由绝缘体表面吸附带电离子和电解液中反一号平衡电荷所决定。这种类型的E-I界面满足表面基模型。

非阻挡型离子交换膜非阻挡型离子交换膜包括传统ISE通常使用的材料,如固态膜、液态膜、掺金属离子的玻璃等。电解液一离子交换膜界面电势由溶液中离子浓度和膜内离子浓度之差决定,平衡时化学势相等。由于非阻挡离子交换膜一电解液界面有质量和电荷传输穿过表面进人膜体内,因此描述界面势的理论完全不同于阻挡型绝缘体一电解液界面理论。

固定酶膜固定酶膜由聚合物基质(如PVA)和一种固定化酶(如葡萄糖氧化酶)组成,又称酶FET或ENFET。溶液中被测物质与酶反应(或直接或酶作为催化剂)并释放某种可以被ISFET敏感的产物(如H+离子),能够实现对生物分子的检测。在众多的ISFET中以H+离子敏感ISFET最为基本和重要。2

按敏感膜分类离子敏场效应晶体管（ISFET）按照敏感膜的不同一般可分为以下几种：

无机ISFET其敏感膜一般为无机绝缘栅、固态膜或有机高分子PVC膜，用于检测NH4+、H+、K+、Na+、F-、Cl-等无机离子。

酶FET酶ISFET由一层含酶的物质与ISFET相结合所构成，即在敏感栅表面固定一层酶膜，利用酶与底物之间高效、专一的反应进行选择性地测定，是研究最多的一种场效应管生物传感器。当待测底物与酶接触时反应生成新的物质，引起敏感膜附近局部的离子浓度变化，从而导致栅极表面电荷变化，产生依赖于待测底物浓度的电信号。在酶场效应管的研究中，除了极少数是基于其它离子敏感场效应管外，绝大多数都是由H+离子敏场效应管构成。

免疫FET免疫FET是由具有免疫反应的分子识别功能敏感膜与ISFET相结合所构成，其中包括非标记免疫FET和标记免疫FET两种。前者是将抗体固定在膜基质上，固定化的抗体可将抗原结合到膜表面，形成抗体一抗原复合物，引起膜的电荷密度和离子迁移的变化，从而导致膜电位的变化，称为非标记免疫场效应管；而后者是在抗原中加入一定量的酶标记抗原，酶标记抗原和未标记的抗原相互竞争，都可以与膜表面的抗体结合，形成抗体一抗原复合物，通过对标记酶量的测定从而获得待测抗原的信息，这类称为标记免疫场效应管。除了固定抗体外，也可以固定抗原，利用同样的原理进行检测。临床医学方面，放射免疫法常需要免疫FET检测各种抗原和抗体，该分析方法灵敏度极高，但需要的仪器药品价格昂贵，且事后放射性废物的处理也比较麻烦。因此，专家们对非放射性免疫法的研究十分重视。目前，利用抗原与抗体之间的高选择特性，各种基于免疫FET的传感器的研制已经获得初步成功。

组织FET组织FET是由哺乳动物或植物的组织切片作为分子识别元件与ISFET相结合所构成。由于组织只是生物体的局部，组织细胞内的酶品种可能少于生命整体的微生物细胞内酶品种，因此组织FET可望有较高的选择性。组织FET实际上也是酶FET，是利用天然组织中酶的催化作用，这种酶存在于天然的动植物组织内，有其他生物分子的协同作用，因而十分稳定。基于组织FET制成的传感器寿命较长，人工提取后纯化过的酶，价格异常昂贵，且酶蛋白分子一旦离开天然的生物环境，其寿命也就大大缩短，用动植物组织代替纯酶，取材容易，易于推广应用。最早提出组织传感器的是Rachnitz，当时他将猪肾组织切片覆盖在氨气敏感电极上制备成可测谷氨酰胺的传感器。

微生物FET微生物FET 是由具有分子识别能力的微生物与ISFET相结合构成。其原理是利用微生物对某些特定物质的转化作用，产生可被ISFET检测到的信号。微生物FET的测定原理有两种类型：一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；另一类是利用不同的微生物含有不同的酶，这与动植物组织一样，把它作为酶源。微生物分好氧性和厌氧性两类，好氧性微生物在繁殖时需要消耗大量的氧，从氧浓度的变化来观察微生物与底物的反应情况，通常用氧电极来测定。1

优点ISFET是一种微电子离子选择性敏感元件，兼有电化学和晶体管的双重特性，与传统离子选择电极相比，它具有以下优点：

(1)灵敏度高，响应快，检测仪表简单方便，输入阻抗高，输出阻抗低，兼有阻抗变换和信号放大的功能，可避免外界感应与次级电路的干扰作用；

(2)体积小，重量轻，特别适用于生物体内的动态监测；

(3)不仅可以实现单个器件的小型化，而且可以采用集成电路工艺和微加工技术，实现多种离子和多功能器件的集成化，适于批量生产，成本低，并具有微型化、集成化的发展潜力；

(4)可以实现全固态结构，机械强度大，适用范围广，适应性强；

(5)易于与外电路匹配，使用方便，并可与计算机连接，实现在线控制和实时监测；

(6)ISFET的敏感材料具有广泛性，不局限于导电材料，也包括绝缘材料。1

应用ISFET具有宽广的离子测量范围，在环境保护、化工、矿山、地质、土壤、水文、军事以及家庭生活中得以应用。尤其是其微型化的特点，使之在生物医学领域中应用广泛，且具有很强的生命力。

临床医学和生理学的应用临床医学中，主要的检查对象是人或动物的体液(包括血液、脑髓液和汗液等)和活性组织。由于人体内除了尿液和汗液外，其它体液的组成在身体正常与不正常的情况下变化很小，而ISFET可以迅速而准确地检测出人或动物体液中某些与身体器官病态有关的无机离子(如H+、K+、Na+、Cl-、F-等)的微量变化，这就为正确诊断病情和临床抢救提供了可靠的依据。例如，血液中pH值过高或过低会引起碱、酸中毒现象，血液中K+过多或过少会引起心律过速或心脏搏动过侵；血液中钠盐过多会加重心力衰竭等。连续监测患者体液中与病态有关的无机离子的浓度对临床医学的研究具有非常重要的意义。

在生理研究中，还可以利用酶FET、免疫FET、微生物FET等制成传感器测量人或动物体液中的糖类、脂、醇、各种氨基酸、维生素等分子以及O2、CO2、NH3等气体。ISFET在检测中可以是无损伤的，而且需要的样品量极少，在连续检测中无需取出样品，大大减少了患者的痛苦和恐惧感。

环境保护方面的应用有机毒物、无机毒物、农药及生活废水等对水体、大气和土壤的污染能使动植物和人类中毒。ISFET在大气污染的监测中具有重要作用，监测的内容很多，如通过检测雨水中各种离子的浓度监测大气污染的情况，并采用对各种离子敏感的ISFET及测量系统集成化的离子敏感探头迅速查明污染原因。另外，用ISFET对鱼类以及其它水生动物血液中有关离子的检测，可以确定水域污染的情况及其对生物的影响。用ISFET还可以检测植物不同生长期内的离子，以研究植物在不同生长期对营养成分的需求，以及土壤污染对植物生长的影响等。

军事和司法方面的应用在某些作战坦克上常装有ISFET化学传感器，其主要目的是：①鉴别敌方使用的化学武器、生物武器或基因武器的类别，检测有毒物质的散布范围和浓度；②对战地环境中的大气、水源和食品进行毒性检测；③伤病员病因诊断。检测的对象包括：化学武器(如窒息性、神经性、血液和起泡性毒剂)、毒素类武器(如相思子毒素、黄曲霉素、肉毒素、破伤风毒素等)以及细菌真菌类武器等。在司法工作中，ISFET化学传感器也常用于案件侦破、法医学等。

农业土壤方面的应用ISFET可用于土壤中某些营养物质的测定，同时也可测定某些肥料分解转化产物。为了判断土壤肥力，对氮素的供应状况通常利用植株中的氨基酸来判断。传统的比色法受植株颜色的干扰，且不能区分不同的氨基酸，而ISFET则不受这些限制。某些微量元素的增产机理实际上与酶的活性有关，微量元素并不直接参与种子内部淀粉、糖类或蛋白质的生成，而是经过酶的活性中心促进合成过程，利用ISFET传感器可研究微量元素的作用。土壤中发生的化学过程实际上是一个复杂的无机一有机一生物化学过程，其无机组分和动植物残体分解产物形成的无机一有机复合物是土壤胶体化学研究的主要内容。酶在复合物的形成过程中具有重要的作用，因此ISFET可以应用于土壤中氮素和磷素转化各阶段产物及转化过程的动态研究。同样，在土壤中发生的电化学过程也不单纯是无机物之间的传质过程，而是伴随着有酶参与的反应，因此，ISFET传感器也可应用于土壤的生物电化学研究。1

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学