ISFET

**離子敏感場效應電晶體**，又稱 **ISFET** （ 英語：ion-sensitive field-effect transistor ），是用於測量溶液中離子濃度的場效應電晶體 。當離子濃度（例如 H+ ，參見 pH 值 ）變化時，流經電晶體的電流也會相應變化。 在這裡，溶液被用作柵極。 基板和氧化物表面之間的電壓由於離子層而產生。 它與 MOSFET 具有相同的基本結構，是一種特殊類型的 MOSFET （金屬氧化物半導體場效應電晶體） ，但金屬柵極被離子敏感膜 ， 電解質溶液和參比電極代替。 ISFET 於 1970 年發明，是第一款生物傳感器 FET（BioFET）。

PH 值影響柵極材料的 Si–OH 基團在水溶液中的界面 水解性 。典型的柵極材料有 SiO2, Si3N4, Al2O3 和 Ta2O5.

可以通過位點結合模型描述負責氧化物表面電荷的機理，該模型描述了溶液中 Si-OH 表面位點和 H+ 離子之間的平衡。 覆蓋氧化物表面（例如 SiO2）的羥基可以通過提供或接受質子而表現兩性，如在氧化物 - 電解質界面發生的以下酸鹼反應：

　
: -Si-OH + H2O ↔ -Si-O - + H3O+

　
: -Si-OH + H3O+ ↔ -Si–OH2+ + H2O

ISFET 的源極和漏極的結構與 MOSFET 相同。氫離子敏感膜通過對氫離子的選擇透過以改變柵極電壓。即 ISFET 的閾值電壓取決於與其離子敏感膜接觸的物質的 pH 值。

## 參比電極的現實局限

對 H+ 濃度敏感的 ISFET 電極可用作常規的玻璃電極，以測量溶液的 pH 值。但是，它也需要參比電極才能工作。 如果與溶液接觸的參比電極是經典的 AgCl 或 Hg2Cl2，則它將遭受與常規 pH 電極相同的局限性（在凝膠電極的情況下，結電位，KCl 泄漏和甘油泄漏）。常規的參比電極也可能體積龐大且易碎，由於體積太大的限制也無法使 ISFET 電極小型化。電極微型化對於某些生物學或活體臨床分析（一次性微型導管 pH 探針）是必不可少的。

因此，自 20 多年來以來，許多研究工作一直致力於片上嵌入式微型參比場效應電晶體（REFET）。它們的功能原理或操作模式可能會有所不同，具體取決於電極生產商，並且通常受專利保護。REFET 所需的半導體改良表面也不總是與測試溶液保持熱力學平衡，並且可能對侵蝕性或干擾性溶解物質或未很好表徵的老化現象敏感。如果電極能夠以規則的時間間隔頻繁地重新校準並且在其使用壽命期間易於維護，這些問題都可以避免。但是，如果電極必須長時間保持浸入狀態，或者由於測量層面有關的特定約束而無法使用，則可能會出現問題（地球化學測量在極端的環境如升高的水壓下或缺氧或還原條件下容易受大氣氧進入或壓力變化而被干擾）。

與常規玻璃電極一樣，ISFET 電極的關鍵因素仍然是參比電極。 在對電極故障進行故障排除時，通常從參比電極入手。

## 歷史

ISFET 的基礎是 MOSFET （金屬氧化物半導體場效應電晶體）， 最初由埃及工程師 Mohamed M. Atalla 和韓國工程師 Dawon Kahng 於 1959 年發明。 1962 年， Leland C. Clark 和 Champ Lyons 發明了生物傳感器 。 

特文特大學的荷蘭工程師 Piet Bergveld 隨後研究了 MOSFET，並意識到可以將其改裝為用於電化學和生物應用的傳感器 。 這導致了 Bergveld 在 1970 年發明 ISFET。 他將 ISFET 描述為「一種具有一定距離的柵極的特殊 MOSFET」。 它是最早的生物傳感器 FET （BioFET）。 

ISFET 傳感器可以在基於 CMOS（互補 MOS）技術的 集成電路 中實現。ISFET 器件廣泛用於生物醫學應用中，例如 DNA 雜交檢測，血液中生物標誌物檢測，抗體檢測，葡萄糖測量和 pH 傳感。ISFET 也是後來的生物 FET 的基礎，例如遺傳技術中使用的 DNA 場效應電晶體（DNAFET）。

## 參照

* 化學場效應電晶體
* 離子選擇電極
* MISFET：金屬 - 絕緣體 - 半導體場效應電晶體
* MOSFET：金屬 - 氧化物 - 半導體場效應電晶體
* pH
* pH 測量儀
* 電位法
* 醌氫醌極
* 飽和甘汞電極
* 氯化銀電極
* 標準氫電極

## 參考文獻

## 參考書目

* Bergveld, P. Thirty years of ISFETOLOGY, What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years. Sensors and Actuators B: Chemical. 2003, **88**: 1–20. doi:10.1016/S0925-4005(02)00301-5.
* Bergveld, P. ISFET, theory and practice (PDF). IEEE Sensor Conference, October 2003. Toronto: IEEE: 26. 2003 [2019-12-07]. （原始內容存檔 (PDF) 於 2016-12-21）.
* ISFET pH 傳感器（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 進一步閱讀

* Rothberg, Johnathan M. An integrated semiconductor device enabling non-optical genome sequencing. Nature. 2011, **475** (7356): 348–52. ISSN 1476-4687. PMID 21776081. doi:10.1038/nature10242.
* Bergveld, P. The impact of MOSFET-based sensors. Sensors and Actuators. 1985, **8** (2): 109–127. Bibcode:1985SeAc....8..109B. ISSN 0250-6874. doi:10.1016/0250-6874(85)87009-8.
* Bergveld, P. The development and application of FET-based biosensors. Biosensors. 1986, **2** (1): 15–33. ISSN 0265-928X. PMID 3790175. doi:10.1016/0265-928X(86)85010-6.
* Bergveld, P. A critical evaluation of direct electrical protein detection methods. Biosensors and Bioelectronics. 1991, **6** (1): 55–72. ISSN 0956-5663. PMID 2049171. doi:10.1016/0956-5663(91)85009-L.
* Bergveld, P. Thirty years of ISFETOLOGY: What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years. Sensors and Actuators B: Chemical. 2003, **88** (1): 1–20. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/S0925-4005(02)00301-5.
* Bergveld, P. ISFET, theory and practice (PDF). IEEE Sensor Conference Toronto, October 2003. Toronto: IEEE: 26 pp. 2003 [2019-12-07]. （原始內容 (PDF) 存檔於 2008-08-20）.
* Bergveld, P; A Van den Berg; PD Van der Wal; M Skowronska-Ptasinska; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt. How electrical and chemical requirements for REFETs may coincide. Sensors and Actuators. 1989, **18** (3–4): 309–327. ISSN 0250-6874. doi:10.1016/0250-6874(89)87038-6.
* Chudy, M; W Wróblewski; Z Brzózka. Towards REFET. Sensors and Actuators B: Chemical. 1999, **57** (1–3): 47–50. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/S0925-4005(99)00134-3.
* Chudy, Michal; Wojciech Wróblewski; Zbigniew Brzózka. Towards REFET. Sensors and Actuators B: Chemical. 1999, **57** (1–3): 47–50. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/S0925-4005(99)00134-3.
* Collins, S.D. Practical limits for solid-state reference electrodes. Sensors and Actuators B: Chemical. 1993, **10** (3): 169–178. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/0925-4005(93)87002-7.
* Duroux, P; C Emde; P Bauerfeind; C Francis; A Grisel; L Thybaud; D Armstrong; C Depeursinge; A L Blum. The ion sensitive field effect transistor (ISFET) pH electrode: a new sensor for long term ambulatory pH monitoring.. Gut. 1991, **32** (3): 240–245. ISSN 0017-5749. PMC 1378826 . PMID 2013417. doi:10.1136/gut.32.3.240.
* Errachid, A.; J. Bausells; N. Jaffrezic-Renault. A simple REFET for pH detection in differential mode. Sensors and Actuators B: Chemical. 1999, **60** (1): 43–48. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/S0925-4005(99)00242-7.
* Ghallab, Y.H.; W. Badawy; K.V.I.S. Kaler. A novel pH sensor using differential ISFET current mode read-out circuit. Proceedings International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems. International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems. Banff, Alta., Canada: 255–258. doi:10.1109/ICMENS.2003.1222002.
* Guth, U; F Gerlach; M Decker; W Oelßner; W Vonau. Solid-state reference electrodes for potentiometric sensors. Journal of Solid State Electrochemistry. 2009, **13** (1): 27–39. ISSN 1432-8488. doi:10.1007/s10008-008-0574-7.
* Huang, I-Yu. Chemical sensors research group. [2010-11-01]. （原始內容存檔於 2010-11-01）.
* Huang, I-Yu; Ruey-Shing Huang; Lieh-Hsi Lo. A new structured ISFET with integrated Ti/Pd/Ag/AgCl Electrode and micromachined back-side P+ contacts. Journal of the Chinese Institute of Engineers. 2002, **25** (3): 327–334 [2010-11-01]. doi:10.1080/02533839.2002.9670707. （原始內容存檔於 2011-07-03）.
* Kal, S.; Bhanu, P. V. Design and modeling of ISFET for pH sensing. TENCON 2007 - 2007 IEEE Region 10 Conference. Taipei: 1–4. 2007. ISBN 978-1-4244-1272-3. doi:10.1109/TENCON.2007.4428805.
* Kisiel, Anna; Agata Michalska; Krzysztof Maksymiuk. Plastic reference electrodes and plastic potentiometric cells with dispersion cast poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and poly(vinyl chloride) based membranes. Bioelectrochemistry. September 2007, **71** (1): 75–80. ISSN 1567-5394. PMID 17107827. doi:10.1016/j.bioelechem.2006.09.006.
* Lee, YC; BK Sohn. Development of an FET-type reference electrode for pH detection. Journal of the Korean Physical Society. 2002, **40** (4): 601–604. Bibcode:2002JKPS...40..601Y. ISSN 0374-4884. doi:10.3938/jkps.40.601.
* Lisdat, F.; W. Moritz. A reference element based on a solid-state structure. Sensors and Actuators B: Chemical. August 1993, **15** (1–3): 228–232. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/0925-4005(93)85057-H.
* Skowronska-Ptasinska, M; PD Van Der Wal; A Van Den Berg; P Bergveld; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt. Reference field effect transistors based on chemically modified ISFETs. Analytica Chimica Acta. 1990, **230**: 67–73. ISSN 0003-2670. doi:10.1016/s0003-2670(00)82762-2.
* Suzuki, Hiroaki; Taishi Hirakawa; Satoshi Sasaki; Isao Karube. Micromachined liquid-junction Ag/AgCl reference electrode. Sensors and Actuators B: Chemical. 1998-02-15, **46** (2): 146–154. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/S0925-4005(98)00110-5.
* van den Berg, A.; A. Grisel; H.H. van den Vlekkert; N.F. de Rooij. A micro-volume open liquid-junction reference electrode for pH-ISFETs. Sensors and Actuators B: Chemical. January 1990, **1** (1–6): 425–432. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/0925-4005(90)80243-S.
* Vonau, W.; W. Oelßner; U. Guth; J. Henze. An all-solid-state reference electrode. Sensors and Actuators B: Chemical. 2010-02-17, **144** (2): 368–373. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/j.snb.2008.12.001.