ISFET

이온 민감성 전계효과 트랜지스터(ion-sensitive field-effect transistor, ISFET)는 용액 내 이온 농도를 측정하는 데 사용되는 전계효과 트랜지스터이다. H⁺와 같은 이온 농도가 변화하면(예: pH 눈금 참조), 트랜지스터를 통과하는 전류가 그에 따라 변화한다. 여기서는 용액이 게이트 전극으로 사용된다. 산화물 표면과 기판 사이의 전압은 이온 피막으로 인해 발생한다. 이는 MOSFET (금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터)의 특수한 형태이며, 동일한 기본 구조를 공유하지만, 금속 게이트가 이온 민감성 막, 전해질 용액 및 기준 전극으로 대체되었다. 1970년에 발명된 ISFET은 최초의 바이오센서 FET (BioFET)였다.

게이트 물질의 Si-OH 그룹의 표면 가수분해는 pH 값에 따라 수용액에서 달라진다. 일반적인 게이트 물질은 SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ 및 Ta₂O₅이다.

산화물 표면 전하를 유발하는 메커니즘은 표면 Si-OH 결합과 용액 내 H⁺ 이온 간의 평형을 설명하는 자리 결합 모델로 설명할 수 있다. SiO₂와 같은 산화물 표면을 덮고 있는 수산화기는 양성자를 주거나 받아들일 수 있으며, 산화물-전해질 계면에서 발생하는 다음 산-염기 반응으로 설명되는 양쪽성 방식으로 작용한다.

—Si–OH + H₂O ↔ —Si–O⁻ + H₃O⁺

—Si–OH + H₃O⁺ ↔ —Si–OH₂⁺ + H₂O

ISFET의 소스와 드레인은 MOSFET와 같이 구성된다. 게이트 전극은 수소 이온에 민감한 장벽과 테스트할 물질이 민감한 장벽과 접촉할 수 있도록 하는 간격에 의해 채널과 분리된다. ISFET의 문턱 전압은 이온 민감성 장벽과 접촉하는 물질의 pH에 따라 달라진다.

기준 전극으로 인한 실질적인 한계

H⁺ 농도에 민감한 ISFET 전극은 기존의 유리 전극처럼 용액의 pH를 측정하는 데 사용될 수 있다. 그러나 작동하려면 기준 전극도 필요하다. 용액과 접촉하는 기준 전극이 AgCl 또는 Hg₂Cl₂와 같은 기존 유형인 경우, 기존 pH 전극과 동일한 한계(접합 전위, KCl 누출, 겔 전극의 경우 글리세롤 누출)를 겪게 된다. 기존 기준 전극은 부피가 크고 깨지기 쉬울 수도 있다. 기존 기준 전극으로 인해 제약되는 너무 큰 부피는 일부 생물학적 또는 생체 내 임상 분석(일회용 미니 카테터 pH 프로브)에 필수적인 ISFET 전극의 소형화를 방해한다. 기존 기준 전극의 고장은 제약 또는 식품 산업의 온라인 측정에서도 문제를 일으킬 수 있는데, 생산 후반 단계에서 귀중한 제품이 전극 파편이나 독성 화학 물질에 오염되어 안전상의 이유로 폐기되어야 하는 경우이다.

이러한 이유로 지난 20년 이상 동안 온칩 내장형 소형 기준 전계 효과 트랜지스터(REFET)에 대한 많은 연구 노력이 집중되었다. 이들의 작동 원리 또는 작동 모드는 전극 제조업체에 따라 다를 수 있으며, 종종 독점적이고 특허로 보호된다. REFET에 필요한 반도체 변형 표면은 또한 항상 테스트 용액과 열역학적 평형 상태에 있지 않으며, 공격적이거나 간섭하는 용해된 종 또는 잘 특성화되지 않은 노화 현상에 민감할 수 있다. 전극을 정기적으로 자주 재교정할 수 있고 서비스 수명 동안 쉽게 유지 관리할 수 있다면 이것은 실제 문제가 아니다. 그러나 전극이 장기간 온라인으로 침지되어야 하거나, 측정 자체의 특성과 관련된 특정 제약(가혹한 환경에서 고압 수중의 지구화학적 측정 또는 대기 중 산소 유입이나 압력 변화로 쉽게 방해받는 무산소 또는 환원 조건)으로 인해 접근할 수 없는 경우 문제가 될 수 있다.

기존 유리 전극과 마찬가지로 ISFET 전극의 중요한 요소는 기준 전극으로 남아 있다. 전극 오작동을 해결할 때, 종종 대부분의 문제는 기준 전극 측에서 찾아야 한다.

ISFET의 저주파 잡음

ISFET 기반 센서의 경우, 저주파 잡음은 동일한 주파수 영역에 걸쳐 있는 생체 의학 신호와 간섭할 수 있으므로 전체 SNR에 가장 해롭다. 잡음은 주로 세 가지 원인이 있다. ISFET 외부의 잡음원은 환경 간섭 및 터미널 판독 회로의 장비 잡음과 같은 외부 잡음으로 지칭된다. 내부 잡음은 ISFET의 고체 부분에 나타나는 잡음으로, 주로 산화물/Si 계면에서 캐리어의 트랩 및 비트랩으로 인해 발생한다. 그리고 외부 잡음은 일반적으로 액체/산화물 계면에서 이온 교환으로 인해 발생하는 액체/산화물 계면에 뿌리를 둔다. ISFET의 잡음을 억제하기 위해 많은 방법이 고안되었다. 예를 들어, 외부 잡음을 억제하기 위해 ISFET에 접합형 트랜지스터를 통합하여 드레인 전류의 즉각적인 내부 증폭을 실현할 수 있다. 그리고 내부 잡음을 억제하기 위해 시끄러운 산화물/Si 계면을 쇼트키 접합 게이트로 대체할 수 있다.

ISFET의 드리프트

ISFET의 드리프트는 문턱 전압 불안정성을 의미한다. pH-ISFET의 고유 응답이 완료된 후에도 ISFET의 출력 전압은 시간과 함께 점진적이고 단조롭게 변하며, 이러한 드리프트 동작은 전체 측정 과정 동안 존재한다. 이는 상업적으로 실행 가능한 ISFET 기반 생체 의학 센서를 개발하는 데 심각한 장애물 중 하나였다. 특히, 혈액 pH의 연속 모니터링에 필요한 높은 정확도는 pH ISFET에서 허용되는 드리프트율에 대한 엄격한 요구 사항을 부과한다.

드리프트에 대한 제안된 설명으로는 게이트 절연체 내에서 전기장 강화 이온 이동, 절연체 용액 계면에서의 전기화학적 비평형 조건, 강한 양극성 분극에서의 전해질로부터 전자의 주입으로 인한 절연체 막 내부의 음전하 형성, 그리고 느린 표면 효과 등이 있다.

역사

ISFET의 기초는 MOSFET이다. 트벤테 대학교의 네덜란드 엔지니어 피트 베르그벨트는 MOSFET을 연구하여 전기화학 및 생물학적 응용을 위한 센서로 적용할 수 있음을 깨달았다. 이는 1970년 베르그벨트의 ISFET 발명으로 이어졌다. 그는 ISFET을 "일정 거리에 게이트가 있는 특별한 종류의 MOSFET"이라고 설명했다. 이것이 최초의 바이오센서 FET (BioFET)였다.

ISFET 센서는 CMOS (상보성 MOS) 기술을 기반으로 하는 집적 회로에 구현될 수 있었다. ISFET 장치는 DNA 혼성화, 혈액으로부터의 바이오마커 검출, 항체 검출, 포도당 측정 및 pH 감지와 같은 생체 의학 응용 분야에 널리 사용된다. ISFET은 또한 유전 기술에 사용되는 DNA 전계효과 트랜지스터 (DNAFET)와 같은 후기 BioFET의 기초가 된다.

최근에는 액체에서 작동하는 그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)가 ISFET의 유망한 구현체로 부상했다. 이는 그래핀 채널이 기존의 반도체 채널 기반 장치에 비해 더 민감한 전하-전류 변환기를 제공하기 때문이다. 또한 그래핀 표면은 실리콘에 비해 기능화하기 더 편리하여 바이오FET 분야의 광범위한 발전을 이끌었다.

같이 보기

화학 전계 효과 트랜지스터
이온 선택성 전극
MISFET: 금속-절연체-반도체 전계 효과 트랜지스터
MOSFET: 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터
pH
pH 미터
전위차계
퀸히드론 전극
포화 칼로멜 전극
염화 은 전극
표준 수소 전극

각주

1 2 3 Bergveld, Piet (October 1985). 《The impact of MOSFET-based sensors》 (PDF). 《Sensors and Actuators》 8. 109–127쪽. Bibcode:1985SeAc....8..109B. doi:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN 0250-6874.
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[Bergveld-1] 1 2 3 Bergveld, Piet (October 1985). 《The impact of MOSFET-based sensors》 (PDF). 《Sensors and Actuators》 8. 109–127쪽. Bibcode:1985SeAc....8..109B. doi:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN 0250-6874.

[Schoning-2] 1 2 3 4 Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (2002년 9월 10일). 《Recent advances in biologically sensitive field-effect transistors (BioFETs)》 (PDF). 《Analyst》 127. 1137–1151쪽. Bibcode:2002Ana...127.1137S. doi:10.1039/B204444G. ISSN 1364-5528. PMID 12375833.

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[5] Chen, Xi; Chen, Si; Hu, Qitao; Zhang, Shi-Li; Solomon, Paul; Zhang, Zhen (2019년 2월 22일). 《Device Noise Reduction for Silicon Nanowire Field-Effect-Transistor Based Sensors by Using a Schottky Junction Gate》 (영어). 《ACS Sensors》 4. 427–433쪽. Bibcode:2019ACSSe...4..427C. doi:10.1021/acssensors.8b01394. ISSN 2379-3694. PMID 30632733. S2CID 58624034.

[6] Chou, Jung chuan (2022). 《Preparation and study on the drift and hysteresis properties of the tin oxide gate ISFET by the sol–gel method》. 《Sensors and Actuators B: Chemical》 86. 58-62쪽. doi:10.1016/S0925-4005(02)00147-8.

[7] Jamasb, S.; Collins, S.D.; Smith, R.L. (1997). 〈A physically-based model for drift in Al₂O₃-gate pH ISFET's〉. 《Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers '97)》 2. 1379–1382쪽. doi:10.1109/SENSOR.1997.635494. ISBN 0-7803-3829-4.

[Bergveld1970-8] 1 2 Bergveld, P. (January 1970). 《Development of an Ion-Sensitive Solid-State Device for Neurophysiological Measurements》. 《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》. BME-17. 70–71쪽. Bibcode:1970ITBE...17...70B. doi:10.1109/TBME.1970.4502688. PMID 5441220.

[Toumazou-9] 1 2 Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (December 2011). 《40 years of ISFET technology: From neuronal sensing to DNA sequencing》. 《Electronics Letters》 47. S7쪽. doi:10.1049/el.2011.3231. 2016년 5월 13일에 확인함.

[Park-10] Park, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). 《Applications of Field-Effect Transistor (FET)–Type Biosensors》. 《Applied Science and Convergence Technology》 23. 61–71쪽. doi:10.5757/ASCT.2014.23.2.61. ISSN 2288-6559. S2CID 55557610.

[Beraud2020-11] Beraud, A. (2021). 《Graphene field-effect transistors as bioanalytical sensors: design, operation and performance》. 《Analyst》 146. 403–428쪽. Bibcode:2021Ana...146..403B. doi:10.1039/D0AN01661F. PMID 33215184.