ISFET

ISFET

Un ISFET es un transistor de efecto campo sensible a iones utilizado para medir concentraciones (o más correctamente, actividades) de iones en disolución. El nombre corresponde al acrónimo formado por las siglas de su nombre en inglés (Ion Sensitive Field Effect Transistor) aunque, en raras ocasiones se ha utilizado el acrónimo españolizado TECSI.Se trata de un sensor electroquímico para el análisis iónico en disolución, siendo el más común el medidor de actividades de iones (H⁺) aunque se han estudiado respuestas a otros iones mediante modificaciones de los ISFET para medida de pH.Básicamente, un ISFET es un tipo especial de transistor semiconductor metal-óxido de efecto de campo (MOSFET, por su siglas en ingles) con el que comparte la misma estructura básica, pero en el que la puerta metálica se ha cambiado por una membrana aislante que es sensible a determinados iones, una solución electrolítica y un pequeño electrodo de referencia.

Origen y desarrollo

Los transistores de efecto campo son dispositivos semiconductores de amplio uso en computadoras y en circuitos integrados, ya que actúan como interruptores para controlar el flujo de corriente en los circuitos. Estos dispositivos requieren que los óxidos metálicos con los que se preparan sean de alta pureza, ya que muestran alta sensibilidad a las impurezas iónicas que pueda haber en su superficie. Este problema que se genera en los microcircuitos con MOSFET es precisamente el principio en el que se basan los ISFET y lo que ha llevado al desarrollo de este tipo de sensores que, puede decirse, que tuvo su comienzo en 1970, cuando P. Bergveld describió en una publicación cómo medir la actividad de los iones en sistemas electroquímicos o biológicos al combinar los principios de los transistores de metal-oxido y los electrodos de vidrio utilizados como electrodos selectivos de iones.En los siguientes años, la tecnología y conocimientos ISFET mejoró notablemente, dirigiéndose principalmente a la medición del pH mediante un dispositivo sensor más robusto y de menor tamaño que el clásico electro de vidrio utilizado con este fin, ya que la rotura del vidrio en los sensores de pH tradicionales, provocaba pérdidas de producción muy costosas, sobre todo en los procesos de control de ciertas industrias, como la alimentaria o las relacionadas con las ciencias de la vida.

Mecanismo de respuesta a los iones

Esquema de un MOSFET en modo incremento de canal-n

Los sensores ISFET son muy similares, en cuanto a su funcionamiento y construcción, al de los transistores metal-oxido de efecto campo (MOSFET). Este tipo de transistores disponen de cuatro terminales llamados fuente (S), drenaje (D), puerta (o compuerta) (G) y sustrato (B). En los ISFET la compuerta (G) de metal se sustituye por un óxido de metal anfótero, como alúmina (Al₂O₃) o por nitruro de silicio (Si₃N₄) u otras sustancias poco conductoras. La superficie de esta capa aislante de la compuerta funciona de manera similar a la membrana de vidrio de un electrodo para medida de pH. Los iones H⁺ de la disolución son absorbidos por el aislante de la compuerta. Cuando cambia la concentración de iones (pH), también cambia la cantidad de iones H⁺ adsorbidos, modificando el potencial dando lugar a un cambio en el potencial entre la compuerta y la fuente, haciendo que, a su vez, varíe la conductividad del canal. La conductividad de este canal electrónico se puede regular para proporcionar una señal eléctrica que sea proporcional al logaritmo de la concentración de H⁺ en la disolución de medida.

El ISFET se caracteriza por tener una baja impedancia, con respecto a la de un electrodo de vidrio para medida de pH (uno 10 kΩ) con una intensidad de corriente de 100 μA y alrededor de medio voltio entre generador y drenaje. Además, es de mucho menor tamaño que un sonda típica de medida de pH. Debido a esto y a las finísimas capas utilizadas para la membrana activa, el tiempo de respuesta a los cambios de concentración del ion sensible es mucho más rápida, apenas unos segundos, mucho menor que el de la membrana de vidrio, que puede ser del orden del minuto.

Aplicaciones

Los ISFET responden de forma natural a variaciones en el pH de las disoluciones, por lo que su aplicación habitual va en este sentido, generalmente como sustituto del clásico electrodo de membrana de vidrio utilizado para la medida del pH, sobre todo en aquellas aplicaciones en que se requiere un sensor de pH de reducidas dimensiones y además, suficientemente compacto y resistente, algo habitual en campos científicos relacionados con la biología y la bioquímica o en entorno en los que no se puede utilizar material de vidrio. También tiene utilidad como sensor de pH en la industria alimentaria, ya que permite realizar medidas en materiales gelatinosos o en superficies de piel o carne. Su uso es extensible a otros campos, como la industria química, en general, y los análisis ambientales.

Los ISFET pueden modificarse para que también sean sensibles a otros iones o especies químicas. Ello se consigue modificando el aislante de nitruro de silicio de la compuerta, recubriéndolo con polímeros que contengan moléculas con tendencia a formar complejos con las especies a las que se quiere hacer sensible.En la actualidad hay registradas varias cientos de patentes sobre ISFET y existen una veintena de compañías que los fabrican con diferentes finalidades, aunque la medida de pH es la más habitual. La variedad de sondas disponibles en la actualidad, permiten extender el uso de estos dispositivos a cada vez mayor número de aplicaciones.

Véase también

• Medidor de pH
• Electrodo selectivo de iones
• Electrodo de vidrio

Enlaces externos

• Dispositivos ISFET (PDF)

• Datos: Q904133