Вход на сайт

Зарегистрировавшись на сайте Вы сможете добавлять свои материалы






Самодельный прибор для проверки полевых транзисторов


Простейший пробник для проверки полевых транзисторов (Полевых Мышей.)

В данной статье будет представлена, на мой взгляд, самая простейшая, но не менее эффективная схема Полевых Мышей (полевых транзисторов). Эта схема я думаю, по праву займет одно из своих лидирующих месть в интернете, по простоте и надежности сборки. Так как ни мотать, ни сгорать тут просто нечему… Количество деталей минимум. Причем схема не критична к номиналам деталей… И может быть собрана практически из хлама, при этом не теряя свою работоспособность…

Многие скажут, зачем какой то-  пробник для транзисторов? Если все можно проверить обычным мультимитром… И в какой то степени они будут правы… Что бы собрать пробник надо минимум иметь паяльник и тестер… Для проверке все тех же диодов и резисторов. Соответственно ,что если есть тестер то пробник не нужен. И да и нет. Тестером (мультимитром) конечно можно проверить полевой транзистор (полевую мышь) на работоспособность… Но мне кажется это сделать намного сложнее чем проверить ту же полевую мышь пробником… Не буду объяснять в данной статье как работает полевая мышь (полевой транзистор). Так, как для специалиста это все давно известно, и не интересно, а для новичка всё сложно и замудрено. Так что было решено обойтись без занудных объяснений принципа работы полевой мыши (полевого транзистора).

Итак, схема пробника, и как им проверить полевую мышь (полевой транзистор) на живучесть.

 

Собираем данную схему, хоть на печатной плате (печатка прилагается в конце статьи). Хоть навесным монтажом. Номиналы резисторов могут отличатся примерно на 25% в любую сторону.

Кнопка любая без фиксации.

Светодиод можно поставить хоть биполярный, двухцветный, хоть два встречно параллельных. Либо даже просто один. Если вы планируете проверять транзисторы только одной структуры.. Только N канального типа или только P канального типа.

Схема собрана для полевых мышей N канального типа. При проверке транзисторов P канального типа придется поменять полярность питания схемы. Поэтому в схему был добавлен еще один встречный светодиод, параллельно первому.. В случае если понадобится проверить полевую мышь (полевой транзистор) P канального типа.

Многие наверно заметят сразу, что в схеме отсутствует переключатель полярности питания.

Это сделано по нескольким причинам.

1 Такого подходящего переключателя не оказалось в наличии.

2 Просто, чтобы не запутаться в каком положении должен находиться переключатель при проверки соответствующего транзистора. Мне чаще попадают транзисторы  N канальные, чем  P канальные. Поэтому при необходимости мне не сложно просто поменять проводки местами. Для проверки P канальных полевых мышей (полевых транзисторов).

3 Просто для упрощения и удешевления схемы.

 

Как схема работает? Как проверять полевых мышей на живучесть?

Собираем схему и подключаем транзистор (полевую мышу) К соответствующим клеммам схемы (сток, исток, затвор).

 

Ничего не нажимая, подключаем питание. Если светодиод не горит уже хорошо.

Идем дальше. Нажимаем на кнопку. Светодиод должен загореться. Что свидетельствует о целостности полевого транзистора (значит полевая мышь жива и здорова).

 

Если же при правильном подключении транзистора к пробнику ,подаче питания и НЕ нажатой кнопки светодиод загорится… Значит транзистор пробит.

Соответственно если при нажатой кнопке светодиод НЕ горит. Значит транзистор в обрыве.

Вот и вся хитрость. Всё гениально просто. Удачи.

 

P/S. Почему в статье полевой транзистор, называю полевой мышью? Всё очень просто. Вы когда ни будь встречали в поле транзисторы? Ну так.. Просто. Они там живут, или растут? Думаю, что нет. А  вот полевые мыши есть… И тут они наиболее уместны, чем полевые транзисторы.

И почему вас удивляет сравнение полевого транзистора с полевой мышью? Ведь есть же, например сайт радиокот или радиоскот. И многие другие сайты с подобными названиями.. Которые на прямую никакого отношения к живности не имеют… Так что.

Так же считаю, что вполне можно назвать биполярный транзистор, например полярным белым медведем….

И еще хочу выразить огромную благодарность автору этой схемы пробника В. Гончарук.

 

Скачать

 

Полевой транзистор »Электроника

Полевой транзистор, полевой транзистор, представляет собой трехконтактное активное устройство, которое использует электрическое поле для управления током и имеет высокий входной импеданс, который используется во многих схемах.


FET, полевой транзистор, руководство включает:
FET основы Характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Силовой MOSFET MESFET / GaAs полевой транзистор HEMT & PHEMT Технология FinFET


Полевой транзистор FET - ключевой электронный компонент, используемый во многих областях электронной промышленности.

Полевой транзистор, используемый во многих схемах, состоящих из дискретных электронных компонентов, в областях от ВЧ технологий до управления мощностью и электронного переключения до общего усиления.

Однако в основном полевые транзисторы используются в интегральных схемах. В этом приложении схемы на полевых транзисторах потребляют гораздо меньше энергии, чем микросхемы, использующие технологию биполярных транзисторов. Это позволяет работать очень крупным интегральным схемам. Если бы использовалась биполярная технология, потребляемая мощность была бы на несколько порядков выше, а генерируемая мощность была бы слишком большой, чтобы рассеиваться на интегральной схеме.

Помимо использования в интегральных схемах, дискретные версии полевых транзисторов доступны как в виде выводных электронных компонентов, так и в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Типичные полевые транзисторы

Полевой транзистор, история полевых транзисторов

До того, как первые полевые транзисторы были представлены на рынке электронных компонентов, эта концепция была известна в течение ряда лет. Было много трудностей в реализации этого типа устройства и в том, чтобы заставить его работать.

Некоторые из первых концепций полевого транзистора были изложены в статье Лилиенфилда в 1926 году и в другой статье Хайля в 1935 году.

Следующие основы были заложены в 1940-х годах в Bell Laboratories, где была создана группа по исследованию полупроводников. Эта группа исследовала ряд областей, относящихся к полупроводникам и полупроводниковой технологии, одной из которых было устройство, которое могло бы модулировать ток, протекающий в полупроводниковом канале, путем размещения электрического поля рядом с ним.

Во время этих ранних экспериментов исследователи не смогли воплотить идею в жизнь, превратив свои идеи в другую идею и, в конечном итоге, изобрели другую форму компонента полупроводниковой электроники: биполярный транзистор.

После этого большая часть исследований в области полупроводников была сосредоточена на улучшении биполярного транзистора, и идея полевого транзистора некоторое время не была полностью исследована. Сейчас полевые транзисторы очень широко используются, обеспечивая основной активный элемент во многих интегральных схемах.Без этих электронных компонентов технология электроники сильно отличалась бы от нынешней.

Полевой транзистор - основы

Концепция полевого транзистора основана на концепции, согласно которой заряд на соседнем объекте может притягивать заряды в полупроводниковом канале. По сути, он работает с использованием эффекта электрического поля - отсюда и название.

Полевой транзистор состоит из полупроводникового канала с электродами на обоих концах, называемых стоком и истоком.

Управляющий электрод, называемый затвором, помещается в непосредственной близости от канала, так что его электрический заряд может влиять на канал.

Таким образом, затвор полевого транзистора контролирует поток носителей (электронов или дырок), текущий от истока к стоку. Это достигается за счет управления размером и формой проводящего канала.

Полупроводниковый канал, по которому протекает ток, может быть P-типа или N-типа. Это дает начало двум типам или категориям полевых транзисторов, известных как полевые транзисторы с каналом P и N с каналом.

Кроме этого, есть еще две категории. Увеличение напряжения на затворе может либо истощить, либо увеличить количество носителей заряда, доступных в канале. В результате есть полевые транзисторы в режиме улучшения и полевые транзисторы в режиме истощения.

Обозначение цепи на переходном полевом транзисторе

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокий входной импеданс, обычно много мегом. Это может быть явным преимуществом перед биполярным транзистором, работающим от тока и имеющим гораздо более низкий входной импеданс.

Переходный полевой транзистор, JFET работает ниже насыщения

Цепи на полевых транзисторах

Полевые транзисторы широко используются во всех схемах, от схем с дискретными электронными компонентами до интегральных схем.

Примечание по конструкции схемы полевого транзистора:

Полевые транзисторы могут использоваться во многих типах схем, хотя три основные конфигурации - это общий исток, общий сток (истоковый повторитель) и общий затвор.Сама схема довольно проста и может быть реализована довольно легко.

Подробнее о Схема полевого транзистора

Поскольку полевой транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением, а не устройство тока, такое как биполярный транзистор, это означает, что некоторые аспекты схемы сильно отличаются: в частности, устройства смещения. Однако проектировать электронную схему с полевыми транзисторами относительно просто - она ​​немного отличается от схемы с биполярными транзисторами.

Используя полевые транзисторы, можно спроектировать такие схемы, как усилители напряжения, буферы или повторители тока, генераторы, фильтры и многое другое, а схемы очень похожи на схемы для биполярных транзисторов и даже термоэмиссионных ламп / вакуумных ламп. Интересно, что клапаны / лампы также являются устройствами, работающими от напряжения, и поэтому их схемы очень похожи, даже с точки зрения устройств смещения.

Типы полевых транзисторов

Есть много способов определить различные типы доступных полевых транзисторов.Различные типы означают, что при проектировании электронной схемы необходимо выбрать правильный электронный компонент для схемы. Правильно подобрав устройство, можно получить наилучшие характеристики для данной схемы.

Полевые транзисторы

можно разделить на несколько категорий, но некоторые из основных типов полевых транзисторов можно рассмотреть на древовидной диаграмме ниже.

Типы полевых транзисторов

На рынке существует много различных типов полевых транзисторов, для которых существуют разные названия.Некоторые из основных категорий отложены ниже.

  • Junction FET, JFET: Junction FET, или JFET, использует обратносмещенный диодный переход для обеспечения соединения затвора. Структура состоит из полупроводникового канала, который может быть N-типа или P-типа. Затем в канале изготавливается полупроводниковый диод таким образом, чтобы напряжение на диоде влияло на канал полевого транзистора.

    При работе он имеет обратное смещение, а это означает, что он эффективно изолирован от канала - только обратный ток диода может течь между ними.JFET - это самый базовый тип полевого транзистора, который был разработан впервые. Однако он по-прежнему обеспечивает отличный сервис во многих областях электроники.


  • Полевой транзистор с изолированным затвором / полевой транзистор на основе оксида металла и кремния МОП-транзистор: В МОП-транзисторе используется изолированный слой между затвором и каналом. Обычно он формируется из слоя оксида полупроводника.

    Название IGFET относится к любому типу полевого транзистора с изолированным затвором.Наиболее распространенной формой IGFET является кремниевый МОП-транзистор - Metal Oxide Silicon FET. Здесь затвор сделан из слоя металла, нанесенного на оксид кремния, который, в свою очередь, находится на канале кремния. МОП-транзисторы широко используются во многих областях электроники, особенно в интегральных схемах.

    Ключевым фактором IGFET / MOSFET является чрезвычайно высокий импеданс затвора, который могут обеспечить эти полевые транзисторы. Тем не менее, будет соответствующая емкость, и это уменьшит входной импеданс при повышении частоты.


  • МОП-транзистор с двумя затворами: Это специализированная форма МОП-транзистора, у которого два затвора расположены последовательно вдоль канала. Это позволяет значительно улучшить производительность, особенно на ВЧ, по сравнению с устройствами с одним затвором.

    Второй затвор полевого МОП-транзистора обеспечивает дополнительную изоляцию между входом и выходом, и в дополнение к этому его можно использовать в таких приложениях, как смешивание / умножение.


  • MESFET: Кремниевый полевой транзистор MEtal обычно изготавливается из арсенида галлия и часто называется полевым транзистором на основе GaAs. Часто GaAsFET используются в ВЧ-приложениях, где они могут обеспечить низкий уровень шума с высоким коэффициентом усиления. Одним из недостатков технологии GaAsFET является очень маленькая структура затвора, что делает ее очень чувствительной к повреждению статическим электричеством. При обращении с этими устройствами необходимо соблюдать особую осторожность.


  • HEMT / PHEMT: Транзистор с высокой подвижностью электронов и псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов являются развитием основной концепции полевого транзистора, но разработаны для обеспечения работы на очень высоких частотах. Несмотря на свою дороговизну, они позволяют достичь очень высоких частот и высокого уровня производительности.


  • FinFET: Технология FinFET теперь используется в интегральных схемах, чтобы обеспечить более высокий уровень интеграции за счет меньших размеров элементов.Поскольку требуются более высокие уровни плотности и становится все труднее реализовать все более мелкие размеры элементов, технология FinFET используется все более широко.


  • VMOS: Стандарт VMOS для вертикальной MOS. Это тип полевого транзистора, который использует вертикальный ток для улучшения коммутационных и токонесущих характеристик. Полевые транзисторы VMOS широко используются в энергетических приложениях.

Хотя в литературе можно встретить и другие типы полевых транзисторов, часто эти типы являются торговыми наименованиями для конкретной технологии и являются вариантами некоторых типов полевых транзисторов, перечисленных выше.

Характеристики полевого транзистора

Помимо выбора конкретного типа полевого транзистора для данной схемы, также необходимо понимать различные спецификации. Таким образом можно гарантировать, что полевой транзистор будет работать с требуемыми рабочими параметрами.

Спецификации полевого транзистора

включают все, от максимально допустимых напряжений и токов до уровней емкости и крутизны. Все они играют роль в определении того, подходит ли какой-либо конкретный полевой транзистор для данной схемы или приложения.

Технология полевых транзисторов может использоваться в ряде областей, где биполярные транзисторы не так подходят: каждое из этих полупроводниковых устройств имеет свои преимущества и недостатки и может использоваться с большим эффектом во многих схемах. Полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс и является устройством, управляемым напряжением, что позволяет использовать его во многих областях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

.

Полевые транзисторы - Электронные устройства. Вопросы и ответы

Почему электронные устройства Полевые транзисторы?

В этом разделе вы можете изучить и попрактиковаться в вопросах по электронным устройствам, основанным на "полевых транзисторах", и улучшить свои навыки, чтобы пройти собеседование, конкурсные экзамены и различные вступительные испытания (CAT, GATE, GRE, MAT, банковский экзамен, железнодорожный Экзамен и т. Д.) С полной уверенностью.

Где я могу получить вопросы и ответы о полевых транзисторах для электронных устройств?

IndiaBIX предоставляет вам множество полностью решенных вопросов и ответов по электронным устройствам (полевым транзисторам) с пояснениями. Решенные примеры с подробным описанием ответов, даны пояснения, которые легко понять. Все студенты и первокурсники могут загрузить вопросы викторины по полевым транзисторам «Электронные устройства» с ответами в виде файлов PDF и электронных книг.

Где я могу получить вопросы и ответы для собеседований с полевыми транзисторами для электронных устройств (тип цели, множественный выбор)?

Здесь вы можете найти вопросы и ответы для собеседований и вступительных экзаменов, касающиеся полевых транзисторов для электронных устройств. Также предусмотрены вопросы с множественным выбором, а также вопросы истинного или ложного типа.

Как решить проблемы с полевыми транзисторами электронных устройств?

Вы можете легко решить все виды вопросов по электронным устройствам, основанным на полевых транзисторах, выполнив упражнения объективного типа, приведенные ниже, а также получите быстрые методы решения проблем с полевыми транзисторами электронных устройств.

Упражнение :: Полевые транзисторы. Общие вопросы









.

Полевые транзисторы (FET) - Вопросы и ответы по электронике

Почему для электроники полевые транзисторы (FET)?

В этом разделе вы можете изучить и попрактиковаться в вопросах по электронике на основе «Полевых транзисторов (FET)» и улучшить свои навыки, чтобы пройти собеседование, конкурсный экзамен и различные вступительные испытания (CAT, GATE, GRE, MAT, банковский экзамен, Железнодорожный экзамен и др.) С полной уверенностью.

Где я могу получить вопросы и ответы о полевых транзисторах для электроники (FET) с пояснениями?

IndiaBIX предоставляет вам множество полностью решенных вопросов и ответов по электронике (полевые транзисторы (FET)) с пояснениями. Решенные примеры с подробным описанием ответов, даны пояснения, которые легко понять. Все студенты и первокурсники могут загрузить вопросы викторины по полевым транзисторам (FET) с ответами в виде файлов PDF и электронных книг.

Где я могу получить вопросы и ответы на собеседование по полевым транзисторам (FET) (тип цели, множественный выбор)?

Здесь вы можете найти вопросы и ответы по полевым транзисторам (FET) объективного типа для собеседований и вступительных экзаменов. Также предусмотрены вопросы с множественным выбором, а также вопросы истинного или ложного типа.

Как решить проблемы с электронными полевыми транзисторами (FET)?

Вы можете легко решить все вопросы по электронике, основанные на полевых транзисторах (FET), выполнив упражнения объективного типа, приведенные ниже, а также получите быстрые методы решения проблем с электронными полевыми транзисторами (FET).

Упражнение: полевые транзисторы (FET) - общие вопросы









.Транзисторы

как новая платформа для портативного усиленного биодетектирования в превентивном персонализированном тестировании в местах оказания медицинской помощи

1. Введение

Биосенсоры - это устройства, которые включают в себя биологические сенсорные элементы или биорецепторы для обнаружения определенных молекул / химических аналитов и выработки измеряемого сигнала (в настоящее время , изменение напряжения и цвета). Ферменты - это белковые молекулы, которые действуют как биологические катализаторы, которые связываются / реагируют очень специфично с определенными молекулами, поэтому ферменты могут быть отличными биорецепторами.Преобразователь - это механизм, с помощью которого избирательное связывание аналитов и биорецепторов преобразуется в измеряемый сигнал. Обычные преобразователи основаны на оптической, электрохимической и электронной модуляции сигнала при добавлении аналита.

Электронные устройства на основе полимерных электродов, органических тонкопленочных транзисторов и органических светоизлучающих диодов могут взаимодействовать с биологическими компонентами, т.е. клетками, микроорганизмами, белками, олигонуклеотидами, малыми молекулами, для медицинских приложений, а также для обеспечения качества окружающей среды и пищевых продуктов. контроль [1–7].Сфера применения биоэлектроники представлена ​​на Рисунке 1 [7]. Транзисторы, полимерные электроды и органические светоизлучающие диоды могут быть связаны с биорецепторами распознающих элементов, то есть ферментами, нуклеиновыми кислотами (ДНК) или антителами, для селективного обнаружения аналита, то есть белков, дополнительных цепей ДНК, вирусов, питательных веществ, гормонов. , взятые из крови, мочи или слюны [8, 9]. Биосенсоры на основе транзисторов можно разделить на полевые транзисторные биосенсоры (био-полевые транзисторы), обсуждаемые в разделе 2, и органические электрохимические транзисторы (OECT), обсуждаемые в разделе 3.

Рисунок 1.

Рисунок, показывающий возможности органической биоэлектроники [7]. Авторское право © Общество исследования материалов 2010.

1.1. Предпосылки создания биосенсоров и основных механизмов преобразователей

С появлением инсулина для лечения диабета важной проблемой стал мониторинг уровня глюкозы в крови. Сенсоры глюкозы в настоящее время являются наиболее успешным коммерческим применением биосенсоров, занимая более 85% многомиллиардного рынка США [8, 10].По этой причине биосенсоры глюкозы открывают путь к развитию новых концепций биочувствительности.

Основные механизмы преобразователя включают оптические, электрохимические и электронные процессы.

1.1.1. Оптические преобразователи

Первые биосенсоры глюкозы основывались на колориметрии. Колориметрия - это метод, при котором цвет раствора является показателем состава раствора. Цвет раствора можно изменить с помощью химической реакции, а концентрацию его компонентов можно определить путем сравнения с соответствующим образом подготовленным набором стандартов цвета в компараторе цвета [11].Сравнение цвета раствора с эталоном можно производить визуально или с помощью колориметра. Колориметры - это устройства, которые измеряют поглощение или отражение света в видимой области спектра.

Большинство колориметрических методов измерения глюкозы в крови приводят к изменению цвета за счет уменьшения содержания ароматических органических соединений. Появление в 1964 году Dextrostix (Ames Co.) предоставило простой инструмент для измерения уровня глюкозы в крови. Dextrostix - это целлюлозная полоска с реагентами, цвет и интенсивность которых различаются в зависимости от количества глюкозы в крови [12].Реагентами в Dextrostix являются глюкозооксидаза, пероксидаза и хромоген (например, тетраметилбензидин). Глюкоза в образцах крови сначала окисляется в глюконолактон, а затем в глюконовую кислоту [13]. Эта реакция окисления поддерживается биологическим катализатором фермента глюкозооксидазы (GOx). Кислород, растворенный в крови, необходим для протекания процесса окисления, а побочным продуктом является перекись водорода (H 2 O 2 ). Затем перекись водорода вступает в реакцию с хромогенной системой, в результате чего образуется определенный цветовой узор, специфичный для концентрации глюкозы в крови.

Чтобы избежать субъективного сравнения полосок оператором при визуальном осмотре, изменение цвета полосок Dextrostix можно оценить с помощью простого измерителя отражательной способности или более сложных спектрофотометров.

Несмотря на простоту оптических преобразователей, их ранняя разработка была затруднена необходимостью громоздкого и дорогостоящего оптического оборудования или внутренней неточностью визуального контроля [14].

Одним из возможных решений может быть замена дорогостоящих измерителей отражательной способности или спектрофотометров программными алгоритмами, позволяющими проводить количественный анализ цифровых камер в смартфонах, когда требуется быстрая диагностика.Обычные КМОП-камеры, используемые в смартфонах, успешно контролируют уровень глюкозы, белка и pH в искусственной моче с воспроизводимостью переговорного устройства и минимальным вмешательством оператора [15].

Недавно появились сообщения о кремниевых оптических фотонно-кристаллических волноводах, способных обнаруживать до 128 соединений в пределах нескольких миллиметров пространства с превосходным отношением сигнал / шум [16, 17]. Принцип работы аналогичен принципу работы датчиков поверхностного плазмонного резонанса, которые измеряют изменение отражательной способности тонкой пленки металлического золота, нанесенной на стеклянную призму, при добавлении аналита.Фотонные кристаллы - это оптические структуры, в которых существует периодическая модуляция показателя преломления для данного материала. В зависимости от точной периодической модуляции заданная ширина полосы света не может проходить через такой материал, что определяет фотонную запрещенную зону. Заданная ширина полосы света может быть ограничена в волноводе. Поскольку ширина запрещенной зоны очень чувствительна к показателю преломления на поверхности кристалла, при контакте с водной средой биомолекулы прилипают к поверхности кристалла и изменяют показатель преломления, что приводит к сдвигу запрещенной зоны.Это свойство можно использовать для биочувствительности.

Функционализация поверхности с помощью связывающего биорецептора фотонного кристалла может использоваться для повышения селективности аналита. Хотя потребность в дополнительных оптических и электронных компонентах делает фотонно-кристаллические биосенсоры относительно сложными, их можно сделать сверхкомпактными в едином интегрированном чипе, встроенном в простое в использовании и портативное устройство.

1.1.2. Электрохимические преобразователи

Электрохимические сенсоры, первоначально называвшиеся «ферментными электродами», превратились в высокочувствительные, простые в использовании, портативные и удобные для пользователя сенсорные устройства.Электрохимические биосенсоры в настоящее время являются наиболее распространенными преобразователями для определения уровня глюкозы [18].

Электрохимические датчики измеряют электрохимические процессы, происходящие в электроде, функционализированном ферментными биорецепторами, погруженными в раствор электролита, содержащий аналиты. Электрохимические процессы включают измерение крошечных изменений напряжения (потенциометрия), тока (амперометрия) или сопротивления / проводимости (кондуктометрия), характерных для присутствия аналита. Электрохимические датчики обычно включают в себя два электрода, рабочий электрод и противоэлектрод, под которым подается напряжение.Третий электрод сравнения может использоваться для установки и контроля потенциалов относительно абсолютного значения сравнения.

В отсутствие электрода сравнения довольно сложно измерить небольшое изменение тока воспроизводимым способом, поэтому воспроизводимость электрохимических датчиков обычно менее точна, чем у датчиков, использующих оптические преобразователи [19]. Однако, поскольку электрохимические сенсоры могут быть миниатюрными и недорогими, они фактически доминируют на рынке биосенсоров [10, 19, 20].

Электрохимические сенсоры глюкозы, как и их аналоговые оптические сенсоры глюкозы, используют фермент глюкозооксидазу (GOx) для связывания молекулы глюкозы и облегчения процесса ее окисления. Кислород и GOx окисляют глюкозу в глюконовую кислоту и образуют перекись водорода в качестве побочного продукта. Во время этого процесса GOx восстанавливается и может быть регенерирован (окислен) путем добавления феррицианида, который, в свою очередь, восстанавливается до ферроцианида. Металлический электрод может преобразовывать ферроцианид (восстановленную форму) в феррицианид.Цикл восстановления-окисления глюкозы генерирует электроны на металлическом электроде и может вызвать спонтанный электрический ток (без приложения напряжения), пропорциональный концентрации глюкозы. Чтобы быстро измерить уровень глюкозы, измеряется изменение электрического тока в зависимости от напряжения, приложенного между электролитом и металлическим электродом.

Другая популярная окислительно-восстановительная система для определения глюкозы основана на ферменте глюкозодегидрогеназе в качестве катализатора и никотинамидадениндинуклеотиде, заменяющем кислород для окисления глюкозы [21, 22].

1.1.3. Электронные преобразователи

После открытия ферментного электрода, ионно-чувствительные полевые транзисторы (ISFET), Рисунок 2 (справа), на котором электрод затвора в обычном металлоорганическом полевом транзисторе (MOSFET), Рисунок 2 (слева), заменен водным раствором и электродом сравнения, возникшим для измерения ионных частиц в электрохимической и биологической среде. Двойные слои, образованные на границе раздела оксидного электролита, приводят к другому проводящему состоянию в канале транзистора, пропорциональному концентрации ионов электролита [23].Оксид затвора может быть чувствительным к определенным ионам, как стеклянный электрод [24], или может быть модифицирован с помощью селективной мембраны или молекулярных рецепторов для фильтрации определенных ионов [25, 26]. ISFET не являются строго биосенсорами, потому что они не используют биомолекулярный рецептор в качестве активного компонента для восприятия ионов, но они заложили основу для полевых транзисторных биосенсоров (био-FET).

Рисунок 2.

Схематическое изображение типичных структур MOSFET (слева) и ISFET (справа) [27].Copyright © 2002 Elsevier Science B.V.

Электронные преобразователи включают полевой транзистор и органический электрохимический транзистор, более подробно рассмотренные в следующих разделах.

2. Биосенсоры на основе полевых транзисторов

ISFET можно рассматривать как близкую версию биосенсоров на основе полевых транзисторов (био-FET). Био-полевые транзисторы имеют полупроводниковый канал транзистора, напрямую связанный с молекулярными биорецепторами, чувствительными к определенным молекулам аналита в электролите, без изолирующего слоя, и могут напрямую управляться через среду электролита или через задний затвор / затвор-изолятор, как показано на рисунке 3.Молекулярные биорецепторы действуют как фильтр, который позволяет только одному типу аналита избирательно взаимодействовать с полупроводниковым каналом. Интересующий аналит может ковалентно связываться с определенным молекулярным биорецептором и изменять легирующее состояние полупроводника. Состояние проводимости функционализированного полупроводникового канала можно отслеживать, измеряя ток сток-исток транзистора в зависимости от концентрации анализируемого электролита и приложенного напряжения.

Рисунок 3.

Схематическая структура биосенсоров на основе полевых транзисторов (био-полевые транзисторы).

Механизм восприятия может значительно отличаться при применении к различным молекулам аналита, несмотря на общую архитектуру био-полевых транзисторов. В качестве мысленного эксперимента поверх канала транзистора можно поместить непроницаемое для ионов вещество, которое предотвращает ионное легирование полупроводника. Если проницаемость этого вещества изменяется после взаимодействия с определенным аналитом, позволяя ионам из электролита проникать в полупроводник, повышенная проницаемость барьера может быть обнаружена путем модуляции проводящего состояния полупроводника в зависимости от напряжения затвора [ 28].Ионы в непосредственной близости от полупроводника могут вызвать процесс легирования / дедопирования посредством полевого эффекта или настроить эффективную высоту энергетического барьера, необходимую для инжекции носителей заряда из металлических электродов сток-исток в полупроводник. Поскольку химическая структура полупроводника остается неизменной, десорбция анализируемого вещества или ионных частиц с поверхности полупроводника возможна для обнаружения обратимым датчиком в реальном времени.

Гибридизация сенсорной ДНК с устройствами FET открывает путь к обнаружению вирусов и профилактике заболеваний ДНК [29].Заслуживает внимания механизм работы датчиков на полевых транзисторах ДНК. Полевые транзисторы из углеродных нанотрубок обычно работают как нетрадиционные транзисторы с барьером Шоттки, в которых модуляция тока происходит в основном за счет настройки контактного сопротивления, а не проводимости канала [30].

Гибридизация синтетической ДНК, состоящая из случайно сгенерированных последовательностей и олигонуклеотидов разной длины (15 и 30 мер), была обнаружена с помощью био-полевых транзисторов, сделанных из золотых электродов сток-исток, функционализированных меркапто-гексанолом и канальным материалом из однослойных углеродных нанотрубок, Рисунок 4 (слева) .Наблюдалась избирательная реакция на добавление комплементарной ДНК, и почти не происходило никаких изменений при добавлении фосфатно-солевого буфера (PBS) или несовпадающей ДНК, рисунок 4 (справа). Самоорганизующийся монослой меркапто-гексанола обеспечивает хорошую пассивацию на золотых электродах против неспецифического связывания несовпадающей ДНК и обеспечивает идеальные условия для эффективной гибридизации с почти 100% эффективностью связывания аналитов, несущих комплементарные последовательности. Образование двухцепочечной ДНК на золотых электродах снижает эффективную работу выхода золота, облегчая инжекцию носителей заряда.

Было продемонстрировано, что ДНК-биосенсоры в реальном времени для обнаружения генов муковисцидоза обладают чувствительностью до фемтомолярного диапазона [31]. Эти био-полевые транзисторы опираются на каналы кремниевых нанопроволок (SiNW), функционализированные рецепторами пептидных нуклеиновых кислот, которые комплементарны генам муковисцидоза дикого типа. Настройка SiNW относительно проста благодаря хорошо известной модификации поверхностей оксида кремния, в отличие от поверхностей из графена или углеродных комплексов. Хотя наблюдали неспецифическое взаимодействие отрицательно заряженных олигонуклеотидов с сенсорами NW, специфическое обнаружение было возможно путем анализа величины изменения проводимости после введения растворов образцов ДНК дикой природы по сравнению с мутантной.После обнаружения проводимость была обратима до исходного состояния при добавлении раствора без ДНК.

Рис. 4.

Схематическое изображение сенсорного устройства ДНК-полевых транзисторов в действии (слева) и мониторинга нормированной проводимости в реальном времени при 30-мерной гибридизации ДНК в фосфатно-солевом растворе, pH 7,4. Два других устройства были использованы для одновременного тестирования буферных растворов для комплементарной (CM30) и несовпадающей (MM30) ДНК. Наблюдается избирательный ответ на добавление комплементарной ДНК и почти не изменяется при добавлении фосфатно-солевого буфера или несовпадающей ДНК [29].© Американское химическое общество, 2006 г.

Сообщалось о высокоселективном и чувствительном обнаружении белков в реальном времени с SiNW bio-FETs [25]. Полупроводниковые каналы из нанотрубок / нанопроволок имеют большую площадь поверхности, чем планарные устройства, и повышают чувствительность до такой степени, что возможно обнаружение одиночных молекул. Чувствительность к ионам кальция (Ca 2+ ) была возможна путем иммобилизации кальмодулина на поверхности SiNW. Падение проводимости при добавлении 25 мкМ раствора Ca 2+ наблюдалось с последующим восстановлением проводимости при промывании устройства раствором, не содержащим Ca 2+ , рис.Контрольные эксперименты с немодифицированными КНН не показали изменения проводимости при добавлении ионов Ca 2+ .

Рис. 5.

Обнаружение ионов кальция в реальном времени. График зависимости проводимости от времени канала био-полевого транзистора кремниевой нанопроволоки с концевым кальмодулином, где области 1 и 3 соответствуют работе в чистом буферном растворе, а область 2 соответствует работе в растворе 25 мкМ Ca2 + [25]. Авторское право © 2001 Американской ассоциации развития науки.

Массивы SiNW, модифицированные антителами к гриппу A или аденовирусу, демонстрировали селективное изменение проводимости, соответствующее связыванию / развязыванию одного вируса гриппа A и парамиксовируса [32]. Многие био-полевые транзисторы могут быть построены параллельно для мультиплексного биодетектирования. В этих измерениях не требовалось очистки образцов вируса. На рисунке 6 показана зависимость проводимости от времени, записанная одновременно для датчиков гриппа A (нанопроволока 1) и аденовируса группы III (нанопроволока 2), установленных в непосредственной близости от микрофлюидной системы, которая обеспечивает последовательный поток 1–4 аденовируса, вируса гриппа A, чистого раствора и 1: 1 смешать раствор аденовируса и вируса гриппа А соответственно.Аденовирус отрицательно заряжен в растворе, что приводит к положительному изменению проводимости нанопроволоки 2 с продолжительностью работы около 16 с. Отрицательное изменение проводимости аналогичной продолжительности наблюдалось, когда грипп A был занесен и привязан к нанопроволоке 1. Нижние стрелки на рисунке 6 указывают на особенности, в которых близость аденовируса в устройстве 1 приводила к краткосрочному положительному изменению проводимости примерно на 0,4 с, и Точно так же близость вируса гриппа A привела к кратковременному отрицательному изменению проводимости устройства 2.Превосходная селективность связывания, чувствительность к отдельным вирусным частицам и селективное мультиплексное обнаружение позволяют быстро идентифицировать вирусные образцы, необходимые для надежных медицинских решений, фундаментальной вирусологии и открытия лекарств.

Рис. 6.

Зависимость проводимости от времени, записанная одновременно с двух кремниевых нанопроволочных сенсоров, нанопроволока 1 была модифицирована антителом против гриппа A (вверху), а нанопроволока 2 была модифицирована антителом аденовируса группы III (внизу). Стрелки 1–4 соответствуют введению (1) аденовируса, (2) вируса гриппа A, (3) чистого буфера и (4) смешанного раствора 1: 1 аденовируса и вируса гриппа A.Нижние стрелки указывают на кратковременные изменения проводимости, соответствующие неспецифической диффузии вирусных частиц. Растворы из 40 вирусных частиц на мкл в фосфатном буфере 10 мкМ, pH 6,0 [32]. Copyright © 2014 Национальная академия наук.

Об усиленном биодетектировании без метки сообщалось с архитектурами транзисторов с плавающим затвором, рис. 7 (слева), в которых напряжение затвора косвенно прикладывается через вторичный электролит [33]. В таких структурах полупроводник не требует модификации селективными биорецепторами и не находится в прямом контакте с аналитами, поэтому полупроводник может быть выбран по его электронным характеристикам и механизму легирования (полевой или электрохимический), а не по простоте его химическая модификация или устойчивость к электролитам, что снижает сложность изготовления.Биорецепторы устанавливаются на одной части плавающего затвора, соединенного с отсеком вторичного электролита и полностью отделенного от первичного электролита [34–36]. Электрод затвора, свободный от биорецепторов, соединен с первичным электролитом. Хорошо зарекомендовавшая себя химия самоорганизующегося монослоя на металлических электродах может быть использована для настройки эффективного потенциала плавающего затвора для усиления биоэлектрического сигнала [37]. Геометрические характеристики управляющего электрода играют решающую роль в работе устройства [38, 39].Самособирающиеся монослои производных алкилтиола на плавающем затворе имели измеряемый сдвиг напряжения (около 200 мВ) на электрических характеристиках транзистора, рисунок 7 (справа).

Рис. 7.

Архитектура устройства транзистора с плавающим затвором (слева) и переходные характеристики транзистора (справа), ток сток-исток (Ids) в зависимости от напряжения затвора (Vgs) устройства управления, кривая 1 и плавающий гейт, функционализированный производными алкилтиола, сдвинут вправо на 225 мВ от контрольного устройства, кривая 2 [33].Авторские права © 2015 Американское химическое общество.

Гибридизация ДНК без метки была обнаружена транзистором с плавающим затвором на основе поли (3-гексилтиофена) и ионно-гелевых электролитов [36]. ДНК гибридизируется у плавающего затвора, что приводит к сдвигу порогового напряжения транзистора на относительную величину, пропорциональную несоответствию ДНК. Реакция ДНК с тремя несовпадающими парами оснований была неотличима от полностью случайной последовательности ДНК.

3. Органические электрохимические транзисторные биосенсоры

Органические электрохимические транзисторы (OECT) становятся многообещающей платформой для усиленной биодетекции с повышенной чувствительностью и работой при низком напряжении (<1 В) [33, 40, 41].OECT обычно состоят из полимерного полупроводника, включенного между электродами истока и стока и соединенного с электродом затвора через электролит. Полимерные полупроводниковые материалы основаны на пи-конъюгированных углеродных и водородных каркасных структурах, которые являются относительно мягкими, гибкими и проницаемыми для ионных частиц. Полимеры могут быть растворимы в органических растворителях и использоваться для печати на гибких подложках. Электрод затвора и полупроводниковый канал можно рассматривать как электроды обычного электрохимического датчика (два электрода), назначающих канал транзистора вместе с электродами стока и истока в качестве рабочего электрода и электрод затвора в качестве противоэлектрода.Посредством модификации канала, электролита или электрода затвора с помощью биохимических рецепторов события химического связывания могут привести к большим изменениям проводимости в полупроводниковом канале. Этот эффект может быть основой усиления биоэлектрического сигнала [28, 34, 42, 43].

Чтобы уменьшить проблемы воспроизводимости и чувствительности, связанные с электрохимическими биосенсорами, можно использовать упрощенную архитектуру электрохимического транзистора, в которой использование электродов с активированным углем с большой площадью поверхности приводит к работе менее 1 В и делает ненужным присутствие электрода сравнения для контроля приложенные потенциалы [38, 44].

Ранние OECT состояли из золотых микроэлектродов сток-исток и электродов затвора и полипиррольных каналов в водной среде электролита, т.е. типовые характеристики [45]. Когда на затворе сохраняется отрицательное напряжение, полипиррол дедопируется, и устройство выключается. Когда напряжение на затворе положительное, полипиррол окисляется, что приводит к увеличению тока в канале, устройство включается.

В настоящее время поли (3,4-этилендиокситиофен), допированный полистиролсульфонатом (PEDOT: PSS), является наиболее часто используемым канальным материалом в OECT. ПЕДОТ: PSS по своей природе является проводящим полимером p-типа, стабильным в воде и нетоксичным.

Сообщалось о ферментативных биосенсорах глюкозы OECT [46–48]. Гидрофильные ионные жидкости, такие как тозилат триизобутил- (метил) фосфония ([P 1,4,4,4 ] [Tos]), особенно интересны как эффективная среда для иммобилизации ферментов в биологических средах [49].Эксперименты по зондированию проводили, помещая фермент-глюкозооксидазу (GOx, 500 единиц на мл) и ферроценовый медиатор [бис (η-5-циклопентадиенил) железо] (Fc, 10 мМ) в 1,43 мл [P 1,4, 4,4 ] [Tos] и 50 мл раствора глюкозы-PBS.

Глюкоза окисляется под действием напряжения затвора, в то время как фермент (GOx) восстанавливается. В обратном цикле окисление GOx сочетается с преобразованием Fc в ион ферриция (Fc + ), который перемещает электроны к электроду затвора (рис. 8a), а катионы - в PEDOT: PSS.ПЕДОТ: PSS дедопируется катионами металлов (M + ) (рис. 8b), уменьшая ток сток-исток в зависимости от концентрации глюкозы. Измеренная чувствительность таких устройств находится в диапазоне 10 À7 –10 À2 М [49].

Рис. 8.

Реакции на (а) электроде затвора и (б) в канале OECT [49]. Авторское право © 2010, Королевское химическое общество.

Сообщалось, что биосенсоры гормонов OECTs включают нафион, материал, который имеет высокое специфическое сродство к молекулам гормона адреналина, поверх электрода затвора [50].Чувствительность была улучшена за счет введения электродов затвора, модифицированных SWNT и чешуйками графена, которые увеличили электрокаталитическую активность электрода затвора по сравнению с таковой с платиновыми затворами, таким образом улучшив предел обнаружения устройства. Была получена чувствительность до 0,1 нМ.

Гибкие сенсоры ДНК OECT без этикеток были продемонстрированы в гибких микрофлюидных системах [51]. Зонды одноцепочечной ДНК (оцДНК) были иммобилизованы на электродах с золотым затвором, а микрожидкостные каналы поли (диметилсилоксана) (PDMS) были зафиксированы поверх предварительно заштрихованных каналов PEDOT: PSS (рис. 9а), установленных в контакте с золотыми электродами стока и истока.Устройство могло сгибаться с обеих сторон (рис. 9b), а его электрические характеристики оставались неизменными до и после сгибания (рис. 9c). Переходные кривые показывают, что ток сток-исток достигает стабильного плато после нескольких секунд приложения напряжения затвора (рис. 9d), показывая проникновение ионов в канал транзистора [52]. Дальнейшие исследования показали, что максимальная деформация изгиба составляла около 5% с незначительным влиянием на проводимость пленки PEDOT: PSS.

Рисунок 9.

(а) Принципиальная схема OECT, интегрированного с гибкой микрофлюидной системой и золотыми электродами затвора до (контроль) и после модификации ДНК и гибридизации ДНК. (б) Фотографии устройства, согнутого с двух сторон. (c) Передаточные характеристики (Ids vs Vgs) OECT, измеренные до и после его изгиба с обеих сторон, на вставке показаны выходные характеристики (Ids vs Vgs). (d) Зависящий от времени ток канала OECT, измеренный после приложения различных напряжений затвора. Напряжение сток-исток (Vds) на переходной и временной характеристиках составляло -0.1 В [51]. Авторские права © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм.

Биосовместимые материалы были исследованы в связи с быстрым развитием OECT и их потенциальным использованием в биологических приложениях. Сама кожа может использоваться в качестве нетрадиционного электрода затвора для измерения сердечных сокращений, рис. 10а. Campana et al. продемонстрировали прозрачные транзисторы, изготовленные на биоразлагаемых подложках из сополимера молочной и гликолевой кислоты, для определения сердечных сокращений [53]. Традиционные электрокардиограммы используют Ag / AgCl для установления фарадеевского контакта между кожей и электродами и для определения небольших возмущений напряжения, которые существуют на коже при ударах сердца [54].Для уменьшения импеданса кожи между кожей и каналами PEDOT: PSS был использован электропроводящий гель. OECT регистрировали сердцебиение с амплитудой I ds около 0,1 мкА, что эквивалентно измеренным сигналам на затворе с амплитудой около 50 мкВ, тогда как традиционные электрокардиограммы отслеживают выбросы на уровне около 500 мкВ, рисунок 10b.

Рис. 10.

Запись ЭКГ с помощью биорезорбируемого OECT, работающего в прямом контакте с кожей. (а) Схема подключения эксперимента. (b) Измеренный ток сток-исток (нижняя левая ось), полученный во время записи транзистора (Vgs = 0.5 В, Vds = -0,3 В) и сравнение с нормальной потенциометрической записью электрокардиограммы со стандартными одноразовыми отведениями (верхняя правая ось) [53]. Авторские права © 2014 WILEY VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Носимые электрохимические транзисторы как платформа для обнаружения биомаркеров во внешних биологических жидкостях в реальном времени были продемонстрированы с простой структурой устройства [55]. Дренаж, исток и затвор PEDOT: электроды PSS наносили трафаретной печатью на текстиль. Адреналин, дофамин и аскорбиновая кислота в искусственном сладком ощущались в концентрациях порядка десятых мкМ.Устройство работало стабильно, несмотря на несколько циклов мытья рук и деформации.

Разработаны гибкие сенсоры лактата с ионогелевыми твердотельными электролитами [56]. Концентрация лактата в крови может указывать на циркулирующую эффективность анаэробного метаболизма. Ионогель был приготовлен путем растворения ферроценового медиатора (Fc) в гидрофильной ионной жидкости этилсульфата 1-этил-3-метилимидазолия [C 2 мИм] [EtSO 4 ] с последующим смешиванием его с мономером N-изопропилакриламида (NIPAAm), перекрестно линкер N, N'-метиленбис (акриламид) (MBAAm) и фотоинициатор (диметоксифенил) ацетофенон DMPA.Под действием напряжения на затворе молочная кислота окислялась до пирувата, а Fc превращался в ион феррицения (Fc + ). Fc + преобразуют электроны к электроду затвора, а канал PEDOT: PSS дедопируется катионами из раствора, что приводит к уменьшению тока сток-исток.

Одноразовый датчик дыхания алкоголя для оценки содержания алкоголя в крови был продемонстрирован с использованием органических электрохимических транзисторов [57]. Ферменты алкогольдегидрогеназа и никотинамидадениндинуклеотид (NAD + ) были иммобилизованы на геле на основе коллагена.ПЕДОТ: PSS использовался в качестве электродов стока, истока и затвора. Когда NAD + находится в контакте с этанолом и алкогольдегидрогеназой, он может восстанавливаться до NADH и окисляться обратно до NAD + , высвобождая два электрода, которые могут изменить состояние проводимости PEDOT: PSS.

4. Заключение

В этой главе мы рассмотрели новые концепции биосенсоров на основе транзисторных структур, имеющих отношение к области простых в использовании, портативных и удобных в использовании устройств для профилактических персонализированных медицинских приложений и точек доступа. тестирование ухода.Растущие расходы на здравоохранение, поездки в больницу, стресс и боль, связанные с забором крови для анализа, представляют собой серьезные неудобства для пациентов, которым требуется регулярное обследование, т.е. инсулинозависимых. Мы считаем, что ошеломляющий прогресс, достигнутый в биосенсорах на основе полевых транзисторов и органических электрохимических транзисторов, представляет собой прекрасную возможность предоставить людям во всем мире медицинскую информацию своевременным и экономичным способом.

.

Смотрите также