Ανάπτυξη μικροαισθητήρων επαγόμενου πεδίου βασισμένων σε μεμβράνες κατανομής κατιόντων

Abstract

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη μικροαισθητήρα επαγόμενου πεδίου βασισμένου σε μεμβράνη κατανομής κατιόντος. Ο μηχανισμός λειτουργίας της μεμβράνης κατανομής και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του μεταλλάκτη σήματος pH-ISFET, συντελούν στον πρωτότυπο μηχανισμό απόκρισης του μικροαισθητήρα CHEMFET. Η λειτουργία της μεμβράνης κατανομής βασίζεται στην κατιονανταλλαγή του κατιοντικού αναλύτη με τα ιόντα πρωτονίου στο κύριο μέρος της μεμβράνης. Τα ιόντα πρωτονίου που εξέρχονται από τη μεμβράνη ανιχνεύονται από το pH-ISFET δημιουργώντας την ποτενσιομετρική απόκριση του CHEMFET. Το μέγεθος της ροής των πρωτονίων που μετράται από το pH-ISFET καθορίζεται από τη διαδικασία κατιονανταλλαγής των κατιόντων αναλύτη και πρωτονίου στη μεμβράνη και επηρεάζεται θετικά: τόσο από τη χημική σύσταση του προς ανάλυση δείγματος με την αύξηση του φορτίου του κατιοντικού αναλύτη, την αύξηση της σχετικής ενεργότητας του αναλύτη / πρωτονίου στο προς ανάλυση δείγμα που δεν περιέχει λιπόφιλα αντισταθμιστικά ανιόντα και την προκατεργασία του CHEMFET με δείγμα χαμηλού pH. όσο και από τη χημική σύσταση της μεμβράνης κατανομής με την αύξηση της σταθεράς σύμπλεξης του ιονομεταφορέα αναλύτη, την αύξηση της οξύτητας του ιονομεταφορέα Η+, την αύξηση του μοριακού λόγου των ιονομεταφορέων αναλύτη / πρωτονίου, την ελάττωση της διηλεκτρικής σταθεράς του πλαστικοποιητή και την αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης του πολυμερικού μέσου. Η βελτιστοποίηση των παραπάνω παραμέτρων οδήγησε στην αύξηση του ποσοστού κατιονανταλλαγής του αναλύτη με τα ιόντα πρωτονίου στη μεμβράνη με αποτέλεσμα την αύξηση της ροής των πρωτονίων από τη μεμβράνη στο pH-ISFET. Η επιβεβαίωση της μέτρησης της ροής των πρωτονίων από το pH-ISFET για τη δημιουργία της ποτενσιομετρικής απόκρισης του CHEMFET βασίστηκε: Στη διαφοροποίηση της ποτενσιομετρικής απόκρισης του CHEMFET από την απόκριση των συμβατικών ποτενσιομετρικών αισθητήρων. Στην ικανότητα αλληλεπίδρασης της πύλης του pH-ISFET με τα πρωτόνια που εξέρχονται από τη μεμβράνη κατανομής. Στην ανάλογη ποτενσιομετρική απόκριση του αισθητήρα μεμβράνης κατανομής με το μεταλλάκτη σήματος ηλεκτρόδιο pH αντί του pH-ISFET. Στην αύξηση του χρόνου απόκρισης του CHEMFET με την αύξηση του πάχους της μεμβράνης κατανομής. Στην αντιστοιχία της μορφής της ποτενσιομετρικής απόκρισης του CHEMFET με τη ροή των πρωτονίων κατά μήκος της μεμβράνης κατανομής. Τα CHEMFETs που παρουσιάζονται είναι επιλεκτικά για τους δύο σημαντικότερους εκπροσώπους των κατιόντων, το μονοσθενές κατιόν του καλίου και το δισθενές κατιόν του ασβεστίου. Τα K-CHEMFET και Ca-CHEMFET εφαρμόστηκαν με επιτυχία στην κλινική ανάλυση για τον προσδιορισμό των επιπέδων Κ+ και Ca2+ σε πραγματικά δείγματα ορού αίματος. Η συνεισφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην έρευνα για την ανάπτυξη χημικών αισθητήρων έγκειται στην ανάπτυξη χημικού αισθητήρα με ποτενσιομετρική απόκριση που δημιουργείται στην εσωτερική επιφάνεια του αισθητήρα, δηλαδή βασίζεται στην ενεργή χημική αλληλεπίδραση του αισθητήριου σημείου με το μεταλλάκτη σήματος. Ο μηχανισμός απόκρισης του CHEMFET έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ευαισθησίας του αισθητήρα για τα πολυσθενή κατιόντα που αυξάνει την αξιοπιστία στη μέτρηση του αναλύτη. Παράλληλα, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του μικροαισθητήρα προσφέρουν τη δυνατότητα της χρήσης του σε δύσκολα προσβάσιμες περιοχές (πχ. αναλύσεις in vivo) και της αυτοματοποίησης στην κατασκευή του