RU2000572C1

RU2000572C1 - Светоадресуемое потенциометрическое устройство дл биохимического анализа

Info

Publication number: RU2000572C1
Authority: RU
Inventors: Борис Николаевич Попов; Андрей Владимирович Зарайский
Original assignee: Институт геохимии и аналитической химии им.В.М.Вернадского РАН
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1993-09-07

Abstract

Область применени : изобретение относитс к области медицины, а именно к лабораторным устройствам дл проведени детектировани и измерени продуктов биохимических реакций. Устройство содержит датчик 1, референс-электрод 2, к овету 3 с анализируемым раствором, светодиод 4, расположенный напротив датчика 1, источник 5 модулируемого тока светодиода, источник 6 измен ющегос напр жени , св занного с референс-электродом 2, измеритель 7 модулируемого светом тока, например анализатор 8 зависимости модулированного светом переменного тока датчика от напр жени референс-электрода 2, св занного с источником 6 и измерителем 7. при этом датчик 1 имеет полупроводниковый слей 9. диэлектрическое покрытие 10, нанесенное на полупроводниковый слой 9, и электрический омический контакт, изолированный от раствора. Кроме того, устройство снабжено источником 13 питани датчика 1. который дополнительно имеет диэлектрическую подложку 14 дл полупроводникового сло 9. а электрический омический контакт датчика 1 выполнен в виде двух электродов 11, 12, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового сло 9, один из которых св зан с источником 13 питани датчика 1, при этом оба электрода соединены с электрической цепью, содержащей источник 13 питани и измеритель 7 модулируемого светом тока. 6 ил.

Description

77 18 15

ТО

Ю О О О СП -Ч Ю

Фиг.2

Изобретение относитс к области медицины , а именно к лабораторным устройствам дл проведени детектировани и измерени продуктов биохимических реакций .

В качестве объектов биохимических реакций могут выступать активность и концентраци различных ионов (Н, ОН, , Na и т.д.), наличие, активность и концентраци ферментов, субстратов, антител, антигенов, нуклеиновых кислот и гормонов.

Известен потенциометрический свето- адресуемый сенсор (D.G.Hafeman, et al Light-Addressable Potentlometrlc Sensor for Biochemical Systems, Slence v. 240, Ns 4856, p. 1182, 1988), содержащий датчик, рефе- ренс-электрод, кювету с анализируемым раствором, светодиод, расположенный напротив датчика, источник модулируемого тока светодиодл, источник измен ющегос напр жени , св занного с референс.-элект- родом, измеритель модулируемого светом токо. графический или компьютерный ана- п -затор .зависимости переменного тока дат- or к.-шр жени референс-электрода, ,1-1 т г -.амног о ; источником измен ющегос напр жени и с измерителем модулируемо- ; о овалом тока, при этом датчик имеет полу- -ройодьикооый слой, диэлектрическое окрь тие. нанесенное на полупроводнико- 1;.лй ели й и глектрический омический контакт , изолированный от анализируемого ipopa.

Особенностью потенциометрического сзетоадресуемого сенсора вл етс режим работы, включающий в себ импульсное (модулируемое по амплитуде) освещение светом полупроводника и регистрацию величины наведенного фототока в полупроводнике при изменении потенциала на референс-электроде. Получаема зависимость величины фототока от потенциала ре- ферснс-электрода имеет характерный вид и позвол ет получать точки экстремумов (экстремум перной производной dJ/dU)и проводить точный отсчет положени экстремума относительно потенциала рефе- пемс-злекгрода. Таким образом, светоадре- суемый потенциом трический сенсор, с одной стороны, более устойчив к помехам, св - з нным с изменением амплитуды сигнала, а с другой стороны, светова адресаци позвол й легко реализовать мультисенсор- ную систему. Работоспособность сенсора была продемонстрирована в целом р де биохимических измерений, а именно, рН сенсор , ферментный сенсор, ДНК сенсор. К недостаткам такого сенсора можно отнести тот факт, что. как и в случае электродных систем, измерение фототок происходит в

высокоомной цепи реФеренс-электрода (сопротивление выше 10 Ом), что ведет к дополнительным помехам за счет антенного эффекта. Кроме того, как указывалось в одной из работ авторов (см. выше) величина одного сенсорного элемента при мультисен- сорном исполнении когда все сенсоры расположены на одной пластине) не может быть менее 1 мм. поскольку минимальна

величина ограничена диффузионной длиной неравновесных носителей. Кроме того, известный сенсор позвол ет измерить только потенциал, что не дает возможность получени полной информации об анализируемом

5 растворе.

Техническим результатом, который достигаетс при использовании за вл емого устройства, вл етс повышение помехоустойчивости и обеспечение возможности

0 получени дополнительной информации об анализируемом растворе.

Технический результат достигаетс за счет того, что устройство содержит датчик, рсференс-злектрод, размещенные в кювете

5 с анализируемым раствором, светодиод, расположенный напротив датчика, источник модулируемого тока светодиода, источник измен ющегос напр жени , св занный с референс-электродом, измери0 тель модулируемого светом тока, анализатор , св занный с источником измен ющегос напр жени и с измерителем модулируемого светом тока, а датчик имеет полупроводниковый слой, диэлектрическое

5 покрытие, нанесенное на полупроводниковый слой, и электрический омический вывод , изолированный от раствора, при этом он снабжен источником питани датчика, который имеет диэлектрическую подложку,

0 а электрический омический вывод датчика выполнен в виде двух электродов, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового сло , один из которых св зан с источником питани дат5 чика, а другой электрод соединен с выводом измерител модулируемого светом тока.

Использование признаков, изложенных в зависимых пунктах формулы изобретени , усиливают указанный технический резуль0 тат, достигаемый признаками основного пункта формулы.

Новизна за вленного технического решени состоит в том, что за вителем предложена нова конструкци устройства с

5 новой совокупностью признаков, отличающихс от известных аналогов и прототипа. Все признаки, характеризующие за вленный обьект и внесенные в формулу изобретени , вл ютс rvtuo Ci лепными, так клк только благодар и ц-.т, , .- ;и дисшгаетс тот технический результат, который ожидаетс от использовани за вленного технического решени . Кроме того, указанные отличительные признаки про вл ют новые свойства, не известные в науке и технике.

Устройство также имеет возможность практической применимости.

Таким образом, данное техническое решение соответствует критери м изобретени : промышленна применимость, новизна и изобретательский уровень.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг, 2 - общий вид датчика; на фиг. 3 - общий вид датчика с дополнительным металлическим электродом; на фиг. 4 - упрощенна эквивалентна схема устройства; на фиг. 5 изображена зависимость темно- вого и модулируемого светом тока датчика от потенциала референс- электрода, а на фиг. 6 изображены зависимости модулируемого светом тока дл различных растворов.

Устройство содержит датчик 1, рефе- ренс-электрод 2, кювету 3 с анализируемым раствором, светодиод 4, расположенный напротив датчика 1. источник 5 модулируемого тока светодиода 4, источник 6 измен ющегос напр жени , св занный с референс-электродом 2, измеритель 7 модулируемого светом тока, анализатор 8 зависимости модулируемого светом переменного тока датчика от напр жени референс-электрода. Графический или компьютерный анализатор 8 св зан с источником 6 измен ющегос напр жени и с измерителем 7 модулируемого светом тока. Датчик 1 имеет полупроводниковый слой 9, диэлектрическое покрытие 10, нанесенное на полупроводниковый слой 9, и электрический омический вывод, изолированный от анализируемого раствора, при этом вывод выполнен в виде двух электродов-11 и 12. расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового сло 9. Один из электродов (любой) св зан с источником 13 питани датчика 1, при этом оба электрода 11 и 12 соединены с электрической цепью, содержащей источник 13 питани и измеритель 7 модулируемого светом тока.

Кроме того, датчик 1 дополнительно имеет диэлектрическую подложку 14 дл полупроводникового сло 9.

Рассто ние между электродами 11 и 12 составл ет от 0,5 до 50 мкм и определ етс требуемыми параметрами датчика (геометрическими , электрическими, технологическими ).

Диэлектрическое покрытие 10 может быть выполнено многослойным и состо ть,

например, из ион-чувствительного диэлектрического сло 15 и защитного диэлектрического сло 16, при этом ион-чувствительный слой 15 обычно изготавливают из Ta20s, a 5 диэлектрический слой 16 - из SI02.

На поверхности диэлектрического покрыти 10 расположена биохимическа мембрана 17, выполненна , например, в виде мономолекул рных слоев с использова0 нием техники Ленгмюра-Блоджетт. Между диэлектрическим покрытием 10 и биохимической мембраной 17 может быть расположен металлический слой 18, соединенный с электродной площадкой 19, расположенной

5 на диэлектрической подложке 14, при этом металлический слой 18 и электродна площадка 19 соединены проводником 20. Биохимическа мембрана располагаетс на металлическом слое 18, электродной пло0 щадке 19 и проводнике 20, которые могут быть выполнены из поликремни . Каждый из электродов 11 и 12 и металлический слой 18 имеют контактные площадки 21, 22 и 23, соединенные с электродами и металличе5 ским слоем проводниками 24, 25 и 26 соответственно , при этом электроды 11, 12 и проводники 24, 25 и 26 имеют защитное покрытие 27, например, в виде лака или полиимида.

0 Следует также отметить, что диэлектрическа подложка 14 выполнена из оптически прозрачного дл излучени светодиода материала , а толщина полупроводникового сло 9 составл ет от 0,1 до 10 мкм, взависи5 мости от концентрации носителей в полупроводниковом слое, измен ющейс в пределах от 10 до 10 см . Излучение сйетодиода может также подводитьс к датчику с помощью световода.

0 Устройство может быть изготовлено таким образом, что на плоскости диэлектрической подложки 14 располагаютс сразу несколько самосто тельных полупроводниковых слоев с электродами, диэлектриче5 ским покрытием, проводниками и контактными площадками. В этом случае дополнительные датчики позвол ют реализовать дифференциальную схему измерени .

0 .Устройство работает следующим образом . Датчик 1 с референс-электродом 2 погружаетс в анализируемый раствор. На референс-электрод подаетс линейно измен ющеес напр жение от источника 6, так.

5 чтобы область контакта полупроводник - диэлектрик из состо ни обеднени переходила в обогащенное состо ние. Типична характеристика темноватого тока I. датчика в зависимости от напр жени на рг-ференс- электроде изображена на фиг. 4. При модулированном по амплитуде освещении полупроводникового сло 8, в частности, области объемного зар да, в последнем в случае обеднени возникает фототок, который генерирует фотонапр жение и модулирует потенциал диэлектрического покрыти 10 датчик. В результате модул ции потенциала ток в полупроводниковом слое, текущем между электродами 11 и 12, также модулируетс по амплитуде и в цепи датчика возникает переменна составл юща тока с частотой модул ции света светодиода 4. По достижении потенциала референс-электро- да 2, соответствующего обогащению или исчезновению области объемного зар да, модулируемый светом ток исчезает и, следовательно , исчезает модул ци потенциала диэлектрического покрыти 10. Зависимость модулируемого светом тока (м датчика от напр жени V на референс-электроде изображена на фиг. 4. При изменении рН раствора в случае рН чувствительной поверхности диэлектрического покрыти 10. выполненна из Ta20s, происходит сдвиг зависимости относительно потенциала ре- ференс-электрода. В отличие от прототипа зависимость модулируемого светом тока от потенциала референс-электрода в предлагаемом , устройстве, кроме резкого спада (максимум второй производной), имеет максимум , положение которого также зависит от состо ни на границе анализируемый раствор - биохимическа мембрана.

Наличие независимых электродов 11 и 12 позвол ет значительно расширить функциональные возможности устройства в части сопр жени датчика со схемой обработки и дальнейшей обработкой сигналов от различных датчиков. В качестве примера рассмотрим дифференциальный режим работы двух датчиков. Как известно, дифференциальный режим позвол етизбавитьс от временной нестабильности, св занной с дрейфом параметров полупроводниковых приборов (вли ние температуры, медленные состо ни на границе диэлектрик - полупроводник и т.д.). В случае дифференциального режима включени датчиков светоадресуемого потенциомет- рического сенсора на выходе схемы будет разностный сигнал от этих двух датчиков и точкой экстремума в этом случает может вл тьс точка равенства значений модулируемых светом токов датчиков, котора характеризуетс изменением фазы дифференциального переменного сигнала.

Расширение функциональных возможностей устройства также св зано с тем, что кроме сдвига потенциала в амплитуде модулируемого свегом тока заключена информаци о емкости двойного сло на границе анализируемый раствор - биохимическа мембрана. По сним это следующим образом . Рассмотрим простейшую эквивалентную схему прототипа и предлагаемого устройства на фиг. 5. В случае прототипа регистрируетс емкостный ток, и в случае последовательного соединени емкостей ток будет одинаков во всей цепи и будет

определ тьс изменением зар да AQ при генерации фототока в области обедненного зар да. В предлагаемом устройстве регистрируетс наведенное светом изменение тока датчика между электродами 11 и 12,

величина которого зависит, например, от наведенной разности потенциалов диэлектрического покрыти 10, и в этом случае амплитуда наведенного изменени тока датчика будет пропорциональна величине

наведенного потенциала. Дл простейшей эквивалентной схемы величина наведенной разности потенциалов на диэлектрике затвора будет определ тьс следующим выражением:

AU

диэл.

ДОСэл

Сг/п ( Сд + Сэл)

где AUдиэл. - наведенна разность потенциалов на диэлектрическом покрытии 10;

ДО - величина изменени зар да в обедненной области полупроводникового сло ;

Сэл - емкость двойного сло на границе

анализируемый раствор - биохимическа мембрана;

Сп/п - емкость области обедненного зар да полупроводникового сло .

Сд - емкость диэлектрического покрыти .

Таким образом, амплитуда модулируемого светом тока вл етс функцией емкости двойного сло границы электролит - химически активный диэлектрик. Дл подтверждени изложенного на фиг. 6 представлены зависимости модулируемого свегом тока датчика от потенциала референс-электрода в различных жидкост х - толуоле , спирте, дистиллированной воде,

растворе буфера. Как видно, амплитуда модулируемого светом тока определ етс типом анализируемой жидкости. В качестве химически активной мембраны использовалс рН чувствительный диэлектрик затвора из ТагОб.

Примером конкретного выполнени может служить рН чувствительный светоадре- суемый сенсор, выполненный по технологии кремний на сапфире . В качестве ион-чувствительного диэлектрика использовалс диэлектрик из Ta20s. Такой сенсор обладает чувствительностью около 55 мВ/рН. В качестве источника излучени использовалс све- тодиодАЛ 107с длиной волны излучени 950 км и интенсивностью 1 мВт. Частота модул ции составл ла 400 Гц. частота развертки потенциала референс-электрода 0,2 Гц.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает повышение помехоустойчивости и возможность получени дополнительной информации об анализируемом растворе.

Claims

Формула изобретени

1.Светоадресуемое потенциометриче- ское устройство дл биохимического анализа , содержащее датчик, референс-электрод, размещенные в кювете с анализируемым раствором, светодиод, расположенный напротив датчика, источник модулируемого тока светодиода, источник измен ющегос напр жени , св занного с референс-элект- родом, измеритель модулируемого светом тока, анализатор, св занный с источником измен ющегос напр жени и с измерителем модулируемого светом тока, датчик имеет полупроводниковый слой, диэлектрическое покрытие, нанесенное на полупроводниковый слой и электрический омический вывод, изолированный от раствора , отличающеес тем, что оно снабжено источником питани датчика, который имеет диэлектрическую подложку, а электрический омический вывод датчика выполнен в виде двух электродов, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового сло , один из которых св зан с источником питани датчика, а другой электрод соединен с выводом измерител модулируемого светом тока.

2.Устройство по п. 1,отличающе - е с тем, что диэлектрическое покрытие выполнено многослойным.
3.Устройство по п. 2, отличающе - е с тем, что диэлектрическое покрытие состоит из ион-чувствительного и защитного диэлектрического слоев.
4.Устройство по п. 3, отличающе - е с тем, что ион-чувствительный слой выполнен ИЗ ТЭ20б.
5.Устройство по п. 3, отличающе - е с тем, что защитный диэлектрический слой выполнен из SiOz.
6, Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е - е с тем. что на поверхности диэлектрического покрыти расположена биохимическа мембрана.

57. Устройство по п. 6, отличающеес тем. что биохимическа мембрана выполнена в виде мономолеку..чрных слоев.

8.Устройство по п. 1.отличающеес тем, что диэлектрическа подложка

0 выполнена из оптически прозрачного материала .

9.Устройство по пп. 6 и 8, о т л и ч а ю- щ е е с тем, что между диэлектрическим покрытием и биохимической мембраной

5 расположен металлический слой.

10.Устройство по п. 9, о т л и ч а ю щ е- е с тем, что на диэлектрической подложке расположена электродна площадка, соединенна с металлическим слоем проводни0 ком, причем электродна площадка и проводник покрыты биохимической мембраной .

11.Устройство по п.10, отличающеес тем, что металлический слой и элект5 родна площадка выполнены из поликремни .

12.Устройство по п. 1. о т л и ч а ю щ е- е с тем, что каждый из электродов имеет контактные площадки соединенные с элек0 тродами проводниками, при этом электроды и проводники имеют защитное покрытие.

13.Устройство по п. 10, отличающеес тем, что металлический слой имеет

5 контактную площадку, соединенную с металлическим слоем проводником, при этом проводник имеет защитное покрытие.

14.Устройство по пп. 12 и 13, о т л и ч а- ю щ е е с тем, что в качестве защитного

0 покрыти используетс полиимид или лак.

15.Устройство по п. отличающеес тем, что толщина полупроводникового сло составл ет 0,1-10 мкм.

16.Устройство по п. 1,отличающе- 5 е с тем, что светодиод соединен с датчиком через световод.

17.Устройство по п. 1,отличающе- е с тем, что рассто ние между электродами составл ет 0,5-50 мкм.

0 18. Устройство по пп. 1, 12 и .отличающеес тем, что на плоскости диэлектрической подложки располагаютс не- сколько изолированный полупроводниковых слоев с электродами, диэлектрическим

5 покрытием, проводниками и контактными площадками.

Гглф

2190002

М Сдиз/г. Спп

.А#

Фиг.1

2

Физ.5

г у,з

0

I