(天津理工大学材料物理所,天津市光电显示材料与器件重点实验室,天津300384)

　　摘要以ISFET为基础的生物传感器目前已经得到了广泛应用。综述了ISFET的优势、制造技术、工作原理及其分类;重点介绍了近年来国际上ISFET在各领域的应用;针对ISFET存在的问题,提出了一些解决方案,展望了ISFET的未来,指出它将朝着复合多功能的方向发展。

　　1970年Bergveld将普通的金属2氧化物2半导体场效应晶体管(MOS2FET)去掉金属栅极,让绝缘体(SiO2)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[1,2],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+2IS2FET[3,4]。30年来,人们已研制和开发出H+、K+、Na+、F-、Cl-、Br-、I-、S2-、Mg2+、Ag+、Ca2+、CN-等ISFET。此外,在IS2FET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。

　　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)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。

　　ISFET是离子敏感、选择电极制造技术与固态微电子学相结合的产物,ISFET的一大突出优势是可以采用CMOSIC工艺批量制作,工艺简单。ISFET与普通MOSFET的差别只在于栅介质。MOSFET使用导电介质作栅,而ISFET是用对溶液中离子敏感的介质膜作栅。在制作好栅氧化层的基础上,如果是Si3N4膜,可采用LPCVD法淀积;若是Al2O3膜,则采用溅射工艺淀积。为防止沟道区n型硅表面反型而产生漏电流,可采用P+保护环把漏区包围起来。ISFET的参考电极一般是与它集成在同一个芯片上。制作好ISFET后,再刻蚀窗口,蒸发金属电极,电极周围一般用聚合物膜保护;钝化保护是将光聚合钝化层旋涂到整个硅片表面,然后显影。ISFET除栅介质敏感层暴露在外外,其余部分都加绝缘保护,其源、漏电极区通常需延长引出,并采用长引线封装,当沟道栅介质与待测溶液接触时,漏、源电极才不会被溶液短路。引线和压焊用环氧树脂密封和固定。ISFET的制作与CMOS工艺基本相容,但由于ISFET无金属栅,所以有其特殊之处。

　　对于ISFET,离子敏感膜是器件的关键,其选择和沉积是非常重要的。离子敏感膜的沉积要求既不损害场效应晶体管,

　　3国家自然科学基金资助项目(60676051);教育部科技研究重点资助项目(205007);天津市自然科学基金重点项目

　　张彩霞:女,硕士,主要从事有机和离子敏晶体管器件方面的研究印寿根:通讯联系人/p>

　　又能保证膜的质量。把敏感膜沉积于ISFET的栅表面上的制作方法有物理汽相沉积法(其中包括真空蒸发 、直洗和射频溅 射) 、化学汽相沉积法以及浸泡涂覆法 。对于有机敏感膜 ,以浸 泡涂覆法和射频溅射法为宜 。ISFET 一般采用双层或多层栅 敏感膜[ 5 ] ,这是由于一种材料很难同时满足一般 ISFET 传感器 栅绝缘体应具备的所有要求 :钝化硅表面 ,以减少界面态和固定 电荷 ;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 ;对所监测离子具有灵敏度和选择性等 。

　　ISFET 实际上是敏感膜与 MOSFET 的复合体 ,其基本结 构与普通 MOSFET 类似 ,如图 1 所示 。使用时 , ISFET 的栅介 质 (或离子敏感膜) 直接与待测溶液接触 ,在溶液中必须设置参 考电极 ,以便通过它施加电压使 ISFET 工作 。待测溶液相当于 一个溶液栅 ,它与栅介质界面处产生的电化学势将对 ISFET 的 Si 表面的沟道电导起调制作用 ,所以 ISFET 对溶液中离子活度 的响应可由电化学势对阈电压 V T 的影响来表征 :

　　由上述可知 ,可用 ISFET 的阈值电压 V T 的变化来测量溶 液中的离子活度 。

　　(2) 酶 FET 是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 +

　　溶液之间的结电势 ; Qox 为氧化层和等效界面态的电荷密度 ; QB 为衬底耗尽层中单位面积的电荷 ; φF 为衬底体费米势 ; Cox 为单 位面积栅电容 。

　　对确定结构的 ISFET ,则式 (1) 中除φ1 外 ,其余各项均为常 数 ,所以 V T 的变化只取决于 φ1 的变化 , 而 φ1 的大小取决于敏 感膜的性质和溶液离子活度 。根据能斯特关系[6 ] :

　　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2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[ 7 ] ;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2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[ 7 ,8 ] 。除了固定抗体外 , 也可以固定抗原[ 9 ] ,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[ 8 ] 。

　　(4) 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

　　由式 (3) 可知 ,对给定的 ISFET 和参考电极 ISFET 的 V T 与待 测溶液中离子活度的对数呈线性关系 :

　　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

　　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 - 、I - 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 p H 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 、N H3 等气体[ 10 ] 。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 。

　　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 。

　　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 。

　　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2有机2

　　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2 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 。

　　ISFET 具有小型化 、全固态化的优点 ,因此对被检样品的 污染影响很小 。在食品工业中 ,可以用它来测量发酵面粉的酸 碱度 ,随时监测发酵情况 ; 还可以检测药品纯度及洗涤剂的浓 度 。随着 ISFET 性能的不断提高 ,其应用范围将会越来越广。

　　近 30 多年来 ,尽管研制出了各种 ISFET 器件 ,但其在生物 化学传感器领域的商品化产品并不多 ,主要原因在于稳定性不 好 、温度漂移性 、时间漂移性和使用寿命短等 。为了克服这些不 利因素 ,近年来 ,国内外进行了广泛而深入的研究 。

　　针对 ISFET 的温度漂移性 ,有人提出了零温度系数工作点 的想法[ 11 ] 。由于 ISFET 的原理是基于传统的 MOSFET ,其阈 值电压及沟道载流子浓度都随温度升高而增大 ,所以在 ISFET 的 ID2IGS特性中存在一个零温度系数点。然而 ,零温度系数工 作点随制造工艺及工作环境的改变而变化 。因此 ,设定 ISFET 尽量靠近零温度系数工作点工作可大大改善温度对器件性能的 影响 。

　　ISFET 在使用过程中需要参比电极来提供电位基准 ,由于 器件和参比电极的分离将影响 ISFET 的应用 ,因此参比电极的 微型化甚至集成到芯片上 ,是改进 ISFET 普遍采用的方法 。另 外 ,可以使用两只场效应管进行差分测量 ,它们共用一个参比电 极 ,一支 FET 涂上敏感膜 ,作为指示 FET ,另一支涂上非活性 膜 ,作为参比 FET ,这样就可以排除外界因素如环境温度 、电场 噪声和本体溶液 p H 值变化等的干扰[ 12 ] 。需要指出的是 ,采用 差分测量时 ,也可以使用常规的参比电极[ 13 ] ,而且两支场效应 管可以是分开的 ,也可以在同一 Si 基底上[ 8 ,14 ] 。

　　ISFET 工作在导电溶液中 ,因此器件与溶液的绝缘性成为 影响 ISFET 稳定性和使用寿命的一个关键性因素 。针对这个 问题 ,有人提出了一种新的结构 :外延栅极场效应管 ,该管的结 构是把栅电极通道作适当的延长 (甚至与主体分离) ,将敏感膜 固定在延长的栅极上[ 15 ,16 ] 。许多 ISFET 采用的封装方法是涂 胶保护结构 ,只露出敏感区 ,其不足是长时间在酸性 、碱性溶液 中使用 ,易使保护胶脱落 。而延长栅极后 ,测量时只需将延长的 栅极浸入待测液中 ,从而可以保护场效应管不受溶液的干扰和 腐蚀 ,也完全解决了光的影响 ,提高了器件的可靠性和使用寿 命 。此外 ,延长栅极后场效应管器件的封装更容易 ,且延长的栅 极可根据需要做成不同的形状 。

　　结果 。在同一硅片上集成多个 ISFET ,修饰上不同的敏感膜 ,可 实现对不同离子 、生物分子乃至气体的测定 。Martinoia 等[ 17 ] 采用集成化的场效应管 ,对细胞群的代谢及神经细胞的活动进 行了监测 。Poghossian 等[ 18 ] 制成的多功能场效应管可以测定 温度 、p H 值和青霉素 。复合多功能场效应管的一个主要问题 是可能产生交叉干扰 。因为各分立场效应管之间的栅极及其敏 感膜距离太近 ,由某一生物敏感膜上发生的反应所引起的局部 p H 值或离子浓度的变化 ,可能干扰邻近场效应管的敏感膜 ,导 致其输出信号产生偏差 。要解决这一问题 ,对于由多个酶场效 应管组成的系统 ,可以通过条件优化 ,找出对各种酶均比较适合 的 p H 值[ 19 ] 。

　　据研究表明 ,当被测溶液呈流动状态时 ,不会对 ISFET 器 件的测量结果产生影响[ 20 ] ,且参比电极的电位对被测溶液的影 响也可忽略 。将流动注射分析与 ISFET 相结合[ 21～23 ] ,可减少 取样量 ,使操作简单 ,分析速度加快 ,且易于实现在线 ] ;对 ISFET 稳定性要求低 ,且不会对器件敏感性 、稳定 性和测量结果产生影响 ,还可以自动校正 ; 带执行器的 ISFET 成为最近的研究热点 。这样 ,测量中的信号可以实时反馈到计 算机 ,由计算机控制执行器产生滴定剂 , 调节被测环境的 p H 值 ,实现实时连续检测 ;结合光纤测量 ,可提高精度 。

　　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 。将 ISFET 以及生物 敏感膜 、酶技术相结合 ,可制成“生物芯片”[ 10 ] 。ISFET 与 LB 膜技术结合制成的生物传感器 ,可大大缩短响应时间 ,提高灵敏 度 。如果再与识别技术相结合 ,还可制成“电子鼻”等仿生传感 器 。ISFET 生物传感器与流动注射分析和电脑技术相结合 ,预 计也将发挥重大作用 。

　　ISFET 将朝着复合多功能方向发展 ,其集成度将进一步提 高 ,并向纳米尺寸发展 。在芯片上同时集成多种传感器和集成 电极结构 ,集成不同敏感膜能同时检测多种离子 、生物分子或气 体分压的 ISFET 传感器阵列 ;同时 ,与微型流通池微型泵阀 、信 号采集与处理电路和计算机相配套 ,可以实现一整套对活细胞 培养或其它电解质溶液反应过程高效监测的 FIA 系统 ,其应用 前景十分广阔 。但是 ISFET 生物传感器在制造工艺上要比其 它传感器难得多 ,主要是使用材料常常受到环境中有害气体和 微生物的侵袭而失活 ,使其寿命大大降低 ,因此要制备廉价而又 长寿的传感器是很不容易的。