Светоадресуемое потенциометрическое устройство для биохимического анализа

 

Область применения: изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторным устройствам для проведения детектирования и измерения 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 изменяющегося напряжения, связанного с референс-электродом 2, измеритель 7 модулируемого светом тока, например анализатор 8 зависимости модулированного светом переменного тока датчика от напряжения референс-электрода 2, связанного 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 питания датчика 1. который дополнительно имеет диэлектрическую подложку 14 для полупроводникового слоя 9. а электрический омический контакт датчика 1 выполнен в виде двух электродов 11, 12, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового слоя 9, один из которых связан с источником 13 питания датчика 1, при этом оба электрода соединены с электрической цепью, содержащей источник 13 питания и измеритель 7 модулируемого светом тока. 6 ил.

(s» G 01 N 33/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПЛТЕНТУ Э

1 (")

О

C)

IQl 4

77 18 rS

27

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5002032/14 (22) 02.08.91 (46) 07.09.93. Бюл, N 33 — 36 (75) Попов Б. Н., Зарайский А, В. (73) Институт геохимии и аналитической химии им. В.М, Вернадского PAH (54) СВЕТОАДРЕСУЕМОЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА (57) Область применения: изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторным устройствам для проведения детектирования и измерения 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 изменяющегося напряжения, связанного с референс-электродом 2, измеритель 7 модулируемого светом тока, напри„„ЯЦ „„2000572 С мер анализатор 8 зависимости модулированного светом переменного тока датчика от напряжения референс-электрода 2, связанного 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 питания датчика 1, который дополнительно имеет диэлектрическую подложку 14 для полупроводникового слоя 9, а электрический омический контакт датчика 1 выполнен в виде двух электродов 11, 12, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового слоя 9, один из которых связан с источником 13 питания датчика 1, при этом оба электрода соединеньl с электрической цепью, содержащей источник 13 питания и измеритель 7 модулируемого светом тока. 6 ил.

2000572

Изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторным устройствам для проведения детектирования и измерения продуктов биохимических реакций.

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

Известен потенциометрический светоадресуемый сенсор (D.G.Hafeman, et al

Light-Addressable Potentlometrlc Sensor for

Blocl:.—:с!.ий или компьютерный анап ..за<. <, .ae<

-::ко .<<<е. нанесенное на полупроводнико,:;.,<й слой и электрический омический кон7 ",.ã. изолированный от анализируемого

Г >r <> <1ра, Особенностью потенциометрического светоадресуемого сенсора является режим работы, включающий в себя импульсное (модулируемое по амплитуде) освещение светом полупроводника и регистрацию величины наведенного фототока в полупроводнике при изменении потенциала на референс-электроде. Получаемая зависимость величины фототока от потенциала реферснс-электрода имеет характерный в ",д и позволяет получать точки экстремумов (экстремум первой производной dJ/dU) и проводи гь точный отсчет положения экстремума относительно потенциала рефере.<с-злекгрода. Таким образом. светоадресуемый потенциометрический сенсор, с одной сторонь<, более устойчив к помехам, связанным с изменением амплитуды сигнала, а с д„"угой стороны, световая адресация позволяет легко реализовать мультисенсорную систему, Работоспособность сенсора была продемонстрирована в целом ряде биохимических измерений, в именно, рН сенсор. ферментный сенсор, ДНК сенсор. К недостаткам такого сенсора можно отнести тот фа т, что. как и в случае элек<родных систем, измере<<ие фототпка гц<оисхолит в

55 высокоомной цепи референс-электрода (сопротивление выше 10 Ом), что ведет к дополнительным помехам эа счет антенного эффекта. Кроме того, как указывалось в одной из работ авторов (см. выше) величина одного сенсорного элемента при мультисенсорном исполнении когда все сенсоры расположены на одной пластине) не может быть менее 1 мм, поскольку минимальная величина ограничена диффузионной длиной неравновесных носителей. Кроме того, известный сенсор позволяет измерить только потенциал, что не дает воэможность получения полной информации об анализируемом растворе.

Техническим результатом, который достигается при использовании заявляемого устройства, является повышение помехоустойчивости и обеспечение возможности получения дополнительной информации об анализируемом растворе.

Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит датчик, референс-электрод, размещенные в кювете с анализируемым раствором, светодиод, расположенный напротив датчика, источник модулируемого тока светодиода, источник изменяющегося напряжения, связанный с референс-электродом, измеритель модулируемого светом тока. анализатор, связанный с источником изменяющегося напряжения и с измерителем модулируемого светом тока, а датчик имеет полупроводниковый слой, диэлектрическое покрытие, нанесенное на полупроводниковый слой, и электрический омический вывод, изолированный от раствора, при этом он с .набжен источником питания датчика, который имеет диэлектрическую подложку, а электрический омический вывод датчика выполнен в виде двух электродов, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового слоя, один иэ которых связан с источником питания датчика, а другой электрод соединен с выводом измерителя модулируемого светом тока.

Использование признаков, изложенных в зависимых пунктах формулы изобретения, усиливают указанный техни <еский результат, достигаемый признаками основного пункта формулы, Новизна заявленного технического решения состоит в том, что заявителем предложена новая конструкция устройства с новой совокупностью признаков. отличающихся от известных аналогов v; прототипа, Все признаки, харак<еризующие заявленный объект и BHе..е<<нь!е в формулу изобретения, являются гу<><е! <л"!<<

to«bKo благодл . v °:.;!!. i,! .>:«д

Устройство также имеет воэможность практической применимости.

Таким образом, данное техническое решение соответствует критериям изобретения: промышленная 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 — упрощенная эквивалентная схема устройства; на фиг. 5 изображена зависимость темнового и модулируемого светом тока датчика от потенциала референс- электрода, а на фиг, 6 изображены зависимости модулируемого светом тока для различных растворов.

Устройство содержит датчик 1, референс-электрод 2, кювету 3 с анализируемым раствором, светодиод 4, расположенный напротив датчика 1, источник 5 модулируемого тока светодиода 4, источник 6 изменяющегося напряжения, связанный с референс-электродом 2, измеритель 7 модулируемого светом тока, анализатор 8 зависимости модул ируемого светом переменного тока датчика от напряжения референс-электрода. Графический или компьютерный анализатор 8 связан с источником 6 изменяющегося напряжения 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 слоя

9. Один иэ электродов (любой) связан с источником 13 питания датчика 1, при этом оба электрода 11 и 12 соединены с электрической цепью, содержащей источник 13 питания и измеритель 7 модулируемого

СВ8Т0М Т0К8.

Кроме того, датчик 1 дополнительно имеет диэлектрическую подложку 14 для полупроводникового слоя 9.

Расстояние между электродами 11 и 12 составляет от 0,5 до 50 мкм и определяется требуемыми параметрами датчика (геометрическими, электри <ескими, технологическими), Диэлектрическое покрытие 10 может быть выполнено «<ногослойным и состоять, например, из ион-чувствительного диэлектрического слоя 15 и защитного диэлектрического слоя 16, при этом ион-чувствительный слой 15 обычно изготавливают иэ Та20ь, а

5 диэлектрический слой 16 — иэ SION.

На поверхности диэлектрического покрытия 10 расположена биохимическая мембрана 17, выполненная, например, в виде мономолекулярных слоев с использова10 нием техники Ленгмюра — Блоджетт, Между диэлектрическим покрытием 10 и биохимической мембраной 17 может быть расположен металлический слой 18, соединенный с электродной площадкой 19, расположенной

15 на диэлектрической подложке 14, при этом металлический слой 18 и электродная площадка 19 соединены проводником 20. Биохимическая мембрана располагается на металлическом слое 18, электродной пло20 щадке 19 и проводнике 20, которые могут быть выполнены иэ поликремния. Каждый из электродов 11 и 12 и металлический слой

18 имеют контактные площадки 21, 22 и 23, соединенные с электродами и металличе25 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.

30 Следует также отметить, что диэлектрическая подложка 14 выполнена из оптически прозрачного для излучения светодиода материала, а толщина полупроводникового слоя 9 составляет от 0,1 до 10 мкм, в зависи35 мости от концентрации носителей в полупроводниковом слое, изменяющейся в пределах от 10 до 10 см . Излучение

1з 17 -з светодиода может также подводиться к датчику с помощью световода.

40 Устройство может быть изготовлено таким образом, что на плоскости диэлектрической подложки 14 располагаются сразу несколько самостоятельных полупроводниковых слоев с электродами, диэлектриче45 ским покрытием, проводниками и контактными площадками. В этом случае дополнительные датчики позволяют реализовать дифференциальную схему измерения.

50 .Устройство работает следующим образом. Датчик 1 с референс-электродом 2 погружается в анализируемый раствор, На референс-электрод подается линейно изменяющееся напряжение от источника 6. так.

55 чтобы область контакта полупроводник— диэлектрик иэ состояния обеднения переходила в обогащенное состояние. Типичная характеристика темноватого тока! датчика в зависимости от напряжения на рс-ференсэлектроде изображена на фиг. 4. П<:и моду2000572

25 лированном по амплитуде освещении полупроводникового слоя 8, в частности, области объемного заряда, в последнем в случае обеднения возникает фототок, который генерирует фотонапряжение и модулирует потенциал диэлектрического покрытия 10 датчик. В результате модуляции потенциала ток в полупроводниковом слое, текущем между электродами 11 и 12, также модулируется по амплитуде и в цепи датчика возникает переменная составляющая тока с частотой модуляции света светодиода 4. По достижении потенциала референс-электрода 2, соответствующего обогащению или исчезновению области объемного заряда, модулируемый светом ток исчезает и, следовательно, исчезает модуляция потенциала диэлектрического покрытия 10. Зависимость модулируемого светом тока l датчика от напряжения Ч на референс-электроде изображена на фиг. 4. При изменении рН раствора в случае рН чувствительной поверхности диэлектрического покрытия 10, выполненная из Та205. происходит сдвиг зависимости относительно потенциала референс-электрода. 8 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 состояния на границе анализируемый раствор — биохимическая мембрана.

Наличие независимых электродов 11 и

12 позволяет значительно расширить функциональные возможности устройства в части сопряжения датчика со схемой обработки и дальнейшей обработкой сигналов от различных датчиков. В качестве примера рассмотрим дифференциальный режим работы двух датчиков, Как известно, дифференциальный режим позволяе избавиться от временной нестабильности, связанной с дрейфом параметров полупроводниковых приборов (влияние температуры, медленные состояния на границе диэлектрик — полупроводник и т.д.). B случае дифференциального режима включения датчиков светоадресуемого потенциометрического сенсора на выходе схемы будет раэностный сигнал от этих двух датчиков и точкой экстремума в этом случает может являться точка равенства значений модулируемых светом токов датчиков, которая характеризуется изменением фазы дифференциального переменного сигнала.

Расширение функциональных воэможнастей устройства также связано с тем, что кроме сдвига потенциала е амплитуде модулируемого све ом тока заключена информа30

55 ция о емкости двойного слоя на границе анализируемый раствор — биохимическая мембрана. Поясним это следующим образом. Рассмотрим простейшую эквивалентную схему прототипа и предлагаемого устройства на фиг. 5. В случае прототипа регистрируется емкостный ток, и в случае последовательного соединения емкостей ток будет одинаков во всей цепи и будет определяться изменением заряда Ж при генерации фототока в области обедненного заряда. В предлагаемом устройстве регистрируется наведенное светом изменение тока датчика между электродами 11 и 12, величина которого зависит, например, от наведенной разности потенциалов диэлектрического покрытия 10, и в этом случае амплитуда наведенного изменения тока датчика будет пропорциональна величине наведенного потенциала. Для простейшей эквивалентной схемы величина наведенной разности потенциалов на диэлектрике затвора будет определяться следующим выражением: где AUpgan. — наведенная разность потенциалов на диэлектрическом покрытии 10;

hQ — величина изменения заряда в обедненной области полупроводникового слоя;

Сэд — емкость двойного слоя на границе анализируемый раствор — биохимическая мембрана;

Сп1n — емкость области обедненного заряда полупроводникового слоя, Сд — емкость диэлектрического покрытия.

Таким образом, амплитуда модулируемого светом тока является функцией емкости двойного слоя границы электролит— химически активный диэлектрик. Для подтверждения изложенного на фиг. 6 представлены зависимости модулируемого светом тока датчика от потенциала референс-электрода в различных жидкостях — толуоле, спирте, дистиллированной воде. растворе буфера. Как видно, амплитуда модулируемого светом тока определяется типом анализируемой жидкости. В качестве химически активной мембраны использовался рН чувствительный диэлектрик затвора из Тд205.

Примером конкретного выполнения может служить рН чувствительный светоадресуемый сенсор. выполненный по технологии

"кремний на сапфире, В качестве ион-чув2000572

10 ствительного диэлектрика использовался диэлектрик из Ta? Og. Такой сенсор обладает чувствительностью около 55 мВ/рН. В качестве источника излучения использовался светодиод АЛ 107 с длиной волны излучения 950 км и интенсивностью 1 мВт. Частота модуляции составляла 400 Гц, частота развертки потенциала референс-электрода 0,2 Гц.

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

Формула изобретения

1. Светоадресуемое потенциометрическое устройство для биохимического анализа. содержащее датчик, референс-электрод, размещенные в кювете с анализируемым раствором, светодиод, расположенный напротив датчика, источник модулируемого тока светодиода, источник изменяющегося напряжения, связанного с референс-электродом, измеритель модулируемого светом тока, анализатор, связанный с источником изменяющегося напряжения и с измерителем модулируемого светом тока, датчик имеет полупроводниковый слой, диэлектрическое покрытие, нанесенное на полупроводниковый слой и электрический омический вывод, изолированный от.раствора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено источником питания датчика, который имеет диэлектрическую подложку, а электрический омический вывод датчика выполнен в виде двух электродов, расположенных на противоположных концах поверхности полупроводникового слоя, один из которых связан с источником питания датчика, а другой электрод соединен с выводом измерителя модулируемого светом тока.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что диэлектрическое покрытие выполнено многослойным.

3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что диэлектрическое покрытие состоит иэ ион-чувствительного и защитно. го диэлектрического слоев, 4, Устройство поп,3,отл ичающее с я тем, что ион-чувствительный слой выполнен из Та205.

5. Устройство по и, 3, о тл и ч а ю щее с я тем, что защитный диэлектрический слой выполнен из $ 02.

55 покрытия используется полиимид или лак.

15. Устройство поп. 1, отл ича ю щее с я тем, что-толщина полупроводникового слоя составляет 0,1-10 мкм.

16. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что светодиод соединен с датчиком через световод.

17, Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что расстояние между электродами составляет 0,5-50 мкм.

18. Устройство по пп, 1, 12 и 13, о т л ич а ю щ е е с я тем, что на плоскости диэлектрической подложки располагак гся несколько изолированный полупроводниковых слоев с электродами, диэлектрическим покрытием, проводниками и контактными площадками.

6, Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что на поверхности диэлектрического покрытия расположена биохимическая мембрана.

5 7.Устройство пои. 6, отл ича ю щее с я тем, что биохимическая мембрана выполнена в виде мономолеку.;оных слоев.

8. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что диэлектрическая подложка

10 выполнена иэ оптически прозрачного материала.

9. Устройство по пп. 6 и 8, о тл и ч а ющ е е с я тем, что между диэлектрическим покрытием и биохимической мембраной ,15 расположен металлический слой.

10. Устройство по п.9 ° отл и ч а ю щее с я тем, что на диэлектрической подложке расположена электродная площадка, соединенная с металлическим слоем проводни20 ком, причем электродная площадка и проводник покрыты биохимической мембраной.

11, Устройство по и. 10, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что металлический слой и элект25 родная площадка выполнены из поликремния.

12. Устройство по и. 1, о тл и ч à ю щ ее с я тем, что каждый из электродов имеет контактные площадки, соединенные с элек30 тродами проводниками, при этом электроды и проводники имеют защитное покрытие.

13, Устройство по и. 10, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что металлический слой имеет

35 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 аю щ е е с я тем, что в качестве защитного

2000572

2000572

Составитель Б.Попов ; фактор A.KY IEðqi îâà Техред М Моргентзл Корректор H.Ðeâcêàÿ

1ираж Подписное

31Г1 Г) "Поиск" Роспатента т 13035 Мпс вз Ж-:35 Раушская наб, 4/5

-1з. :аз 3077

Г)рои рпл;слс iii >-иалзте н,.«ич >,омЬ нзт Патент". г Уж прод ул wi пинз 101