Comparing the ISFET to the glass electrode: advantages, challenges and similarities

Lubbers, B.; Schober, A.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Comparing the ISFET to the glass electrode: advantages, challenges and similarities

Autorzy

Lubbers B. , Schober A.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://beta.chem.uw.edu.pl/chemanal/

Identyfikatory

Warianty tytułu

Porównanie właściwości czujników z tranzystorem polowym z elektrodami szklanymi: zalety, osiągnięcia i podobieństwa

Języki publikacji

Abstrakty

In this review we compare the glass electrode to the ion-sensitive field-effect transistor (ISFET) with regard to the determination of pH. A brief overview of electrochemical methods to determine pH is given to put both devices in historical context. The "dissociation mechanism" is discussed as the most appropriate theoretical description of the phase boundary potential generation at the glass electrode. This model bears remarkable similarities to the "site-dissociation model"' which is presented for the charging mechanism at the ISFET/solution interface. It is concluded that the theories behind both devices primarily differ from each other by the charge balancing mechanism. From the discussion of the device properties it is inferred that the ISFET exhibits some advantages (e.g. size, robustness, response time) over the glass electrode, but also suffers from packaging challenges and a more complex temperature dependence. Nevertheless, with regard to application fields the glass electrode remains the undisputed gold standard. The ISFET is only slowly gaining ground in the market with special robust devices, e.g. for the food industry, as well as miniaturized systems in biomedical applications.

Porównano właściwości elektrody szklanej i jonoczułego tranzystora polowego (ISFET) jako urządzeń do pomiaru pH. Omówiono w aspekcie historycznym elektrochemiczne metody oznaczania pl I. Przedyskutowano „mechanizm dysocjacyjny" jako najlepszy teoretyczny opis powstawania potencjału na granicy faz w elektrodzie szklanej. Ten model wykazuje znaczne podobieństwo do modelu dysocjacji centrów powierzchniowych, który jest stosowany do opisu mechanizmu powstawania ładunku elektrycznego na granicy ISFET -roztwór. Stwierdzono, że teorie będące podstawą obu układów różnią się mechanizmem rozkładu ładunku. Z dyskusji właściwości obu układów można wnioskować, że ISFET wykazuje pewne korzyści (np. wielkość, odporność na zakłócenia, czas odpowiedzi) w stosunku do elektrody szklanej, lecz jego minusem są wyzwania związane z upakowaniem struktur i bardziej złożone zależności od temperatury. Nie mniej w aspekcie zastosowań elektroda szklana wciąż pozostaje niewątpliwym układem odniesienia. ISFET stopniowo zyskuje swoją pozycję w układach wrażliwych na zakłócenia, np. w przemyśle spożywczym oraz w miniaturowych układach biomedycznych.

Słowa kluczowe

glass electrode ion-sensitive field-effect-transistor pH theory properties applications

elektroda szklana tranzystor polowy jonoczuły pH

Wydawca

Komitet Chemii Analitycznej PAN

Czasopismo

Chemia Analityczna

Rocznik

2009

Tom

Vol. 54, No. 6

Strony

1121--1148

Opis fizyczny

Bibliogr. 91 poz.

Twórcy

autor

Lubbers B.

autor

Schober A.

Department of Nanotechnologies, Ilmenau University of Technology, Ilmenau, Germany Fax: +49 3677 693499, benedikt.luebbers@tu-ilmenau.de

Bibliografia

1. Haber F. and Klemensiewicz Z., Z. Phys. Chem., 67, 385 (1909).
2. Sorensen S.P.L., Biochem. Z., 21, 131 (1909).
3. Bergveld P., IEEE Trans. Biomed. Eng., BME-19, 342 (1972).
4. Arrhenius S., Z. Phys. Chem., 1, 631 (1887).
5. Bronstedt J.N., Z. Phys. Chem., 169 A, 52 (1934).
6. Schwabe K., pH-Messtechnik, 4th ed., Steinkopff, Dresden 1976.
7. Galster H., pH-Messung, VCH, Weinheim 1990.
8. Nernst W., Z. Phys. Chem., 4, 129 (1889).
9. Peterson J.I., Goldstein S.R., Fitzgerald R.V. and Buckhold D.K., Anal. Chem., 52, 864 (1980).
10. Arrhenius S., Z. Phys. Chem., 4, 226 (1889).
11. Salessky W., Z. Elektrochem., 10, 204 (1904).
12. Biilmann E., Ann. Chim., 15, 109 (1921).
13. Kratz L., Die Glaselektrode und ihre Anwendungen, Steinkopff, Frankfurt/Main 1950.
14. MacInnes D.A. and Dole M., J. Am. Chem. Soc., 52, 29 (1930).
15. Emmerich B., Regelungstech. Praxis, 20, 313 (1978).
16. Kaden H., Jahn H. and Berthold M., Solid State Ionics, 169, 129 (2004).
17. Eriksson T. and Johansson G., Anal. Chim. Acta, 63, 445 (1973).
18. Schulthess P., Shijo Y., Pham H.V., Pretsch E., Ammann D., Simon W. et al., Anal. Chim. Acta, 131, 111 (1981).
19. Uhl A. and Kestranek W., Mschr. Chem., 44, 29 (1923).
20. Thompson F.C. and Brudevold F., J. Dent. Res., 33, 849 (1954).
21. Mehta D.N. and Kulkarni Jatkar S.K., J. Indian Inst. Sci., 18A, 75 (1935).
22. Brintzinger H. and Rost B., Fresen. Z. Anal. Chem., 120, 161 (1940).
23. Shuk P., Ramanujachary K.V. and Greenblatt M., Electrochim. Acta, 41, 2055 (1996/8).
24. Grubb W.T. and King L.H., Anal. Chem., 52, 270 (1980).
25. Vonau W., Enseleit U., Gerlach F. and Herrmann S., Electrochim. Acta, 49, 3745 (2004).
26. Fog A. and Buck R.P., Sens. Actuators, 5, 137 (1984).
27. Bergveld P., IEEE Trans. Biomed. Eng., 17, 70 (1970).
28. Matsuo T. and Wise K.D., IEEE Trans. Biomed. Eng., 21, 485 (1974).
29. Abe H., Esashi M. and Matsuo T., IEEE Trans. ED, 26, 1939 (1979).
30. Matsuo T. and Esashi M., Sens. Actuators, 1, 77 (1981).
31. Janata J., Analyst, 119, 2275 (1994).
32. Bergveld P., Sens. Actuators B, 88, 1 (2003).
33. Pearton S.J., Zolper J.C., Shul R.J. and Ren F., J. Appl. Phys., 86, 1 (1999).
34. Eickhoff M., Schalwig J., Steinhoff G., Weidemann O., Görgens L., Neuberger R. et al., Phys. Stat.Sol. (c), 0, 1908 (2003).
35. Pearton S.J., Kang B.S., Kim S., Ren F., Gila B.P., Abernathy C.R. et al., J. Phys.: Condens. Mat., 16, R961 (2004).
36. Steinhoff G., Hermann M., Schaff W.J., Eastman L.F., Stutzmann M., Eickhoff M. et al., Appl. Phys. Lett., 83, 177 (2003).
37. Bergveld P. and Sibbald A., Analytical and biomedical applications of ion-selective field-effect transistors, Elsevier, Amsterdam 1988.
38. Nicolsky B.P., Acta Physicochim., 7, 597 (1937).
39. Baucke F.G.K., J. Non-Cryst. Solids, 73, 215 (1985).
40. Baucke F.G.K., Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 100, 1466 (1996).
41. Bach H., Baucke F.G.K. and Krause D., Electrochemistry of glasses and glass melts, including glass electrodes, Springer, Berlin 2001.
42. Schwabe K. and Suschke H.D., Angew. Chem., 76, 39 (1964).
43. Schwabe K., Dahms H., Nyugen G. and Hoffmann G., Z. Elektrochem., 66, 304 (1962).
44. Bates R.G., Determination of pH. Theory and practice, 2nd ed., Wiley, New York 1973.
45. Sokolov S.I. and Passinski A.H., Z. Phys. Chem., A 160, 366 (1932).
46. Disteche A. and Dubuisson M., Rev. Sci. Instrum., 25, 869 (1954).
47. Baumann W.M. and Simon W., Fresen. Z. Anal. Chem., 216, 273 (1966).
48. Disteche A., Rev. Sci. Instrum., 30, 474 (1959).
49. Bausells J., Carrabina J., Errachid A. and Merlos A., Sens. Actuators B, 57, 56 (1999).
50. Yates D.E., Levine S. and Healy T.W., J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1, 70, 1807 (1974).
51. Healy T.W. and White L.R., Adv. Colloid Interface Sci., 9, 303 (1978).
52. Siu W.M. and Cobbold R.S.C., IEEE Trans. ED, 26, 1805 (1979).
53. Bousse L., The chemical sensitivity of electrolyte, insulator, silicon structures fundamental of ISFET operation, Ph.D thesis, Technische Hogeschool Twente Enschede, 1982.
54. Kosmulski M., Chemical properties of material surfaces, Marcel Dekker, New York 2001, Vol. 102.
55. Bousse L., de Rooij N.F. and Bergveld P., IEEE Trans. ED, 30, 1263 (1983).
56. Fung C.D., Cheung P.W. and Ko W.H., IEEE Trans. ED, 33, 8 (1986).
57. van Hal R., Eijkel J. and Bergveld P., Sens. Actuators B, 24, 201 (1995).
58. van Hal R., Eijkel J. and Bergveld P., Adv. Colloid Interface Sci., 69, 31 (1996).
59. Harame D.L., Bousse L.J., Shott J.D., Meindl J.D. and Bousse L., IEEE Trans. ED, 34, 1700 (1987).
60. Armistead C., Tyler A., Hambleton F., Mitchell S. and Hockey J.A., J. Phys. Chem., 73, 3947 (1969).
61. Peri J., J. Phys. Chem., 69, 211 (1965).
62. Bousse L., Mostarshed S., van der Shoot B., de Rooij N., Gimmel P., Göpel W. et al., J. Colloid Interface Sci., 147, 22 (1991).
63. Lobov B., Rubina L., Vinogradova I. and Marvin I., Zh. Neorg. Khim., 34, 2495 (1989).
64. Necheav E., Kolloidn. Zh., 42, 371 (1980).
65. Kosmulski M., J. Colloid Interface Sci., 238, 225 (2001).
66. Bayer M., Uhl C. and Vogl P., J. Appl. Phys., 97, 33703 (2005).
67. Bousse L., de Rooij N.F. and Bergveld P., Surf. Sci., 135, 479 (1983).
68. Bergveld P., Sens. Actuators, 1, 17 (1981).
69. Klein M., Sens. Actuators, 17, 203 (1989).
70. Oelßner W., Zosel J., Berthold F. and Kaden H., Sens. Actuators B, 27, 345 (1995).
71. Matsuo T. and Nakajima H., Sens. Actuators, 5, 293 (1984).
72. van den Berg A., Grisel A., van den Vlekkert H.H. and de Rooij N.F., Sens. Actuators B, 1, 425 (1990).
73. Oelßner W., Zosel J., Guth U., Pechstein T., Babel W., Connery J.G. et al., Sens. Actuators B, 105, 104 (2005).
74. Wolff H.S., New Scientist, 12, 419 (1961).
75. Bergveld P., Biosens., 2, 15 (1986).
76. Sibbald A., Whalley P.D. and Covington A.K., Anal. Chim. Acta, 159, 47 (1984).
77. Arquint P., Koudelka-Hep M., van der Schoot B.H., van der Wal P. and de Rooij N.F., Clinical Chemistry, 40, 1805 (1994).
78. Olthuis W., van der Schoot B.H., Chavez F. and Bergveld P., Sens. Actuators, 17, 279 (1989).
79. Izutsu K., Nakamura T. and Hiraoka S., Chem. Lett., 22, 1843 (1993).
80. Domansky K., Janata J., Josowicz M. and Petelenz D., Analyst, 118, 335 (1993).
81. Young T.-H. and Chen C.-R., Biomaterials, 27, 3361 (2006).
82. Cimalla I., Will F., Tonisch K., Niebelschutz M., Cimalla V., Lebedev V. et al., Sens. Actuators B, 123, 740 (2007).
83. Steinhoff G., Baur B., Wrobel G., Ingebrandt S., Offenhausser A., Dadgar A. et al., Appl. Phys.Lett., 86, 33901 (2005).
84. Neuberger R., Müller G., Ambacher O. and Stutzmann M., Phys. Stat. Sol. (a), 183, R10 (2001).
85. Steinhoff G., Purrucker O., Tanaka M., Stutzmann M. and Eickhoff M., Adv. Funct. Mater., 13, 841 (2003).
86. Wong K.-Y., Tang W., Lau K.M. and Chen K.J., Appl. Phys. Lett., 90, 213506 (2007).
87. Kocha S.S., Peterson M.W., Arent D.J., Redwing J.M., Tischler M.A., Turner J.A. et al., J. Electrochem. Soc., 142, L238 (1995).
88. Chiang J.-L., Chen Y.-C. and Chou J.-C., Jpn. J. Appl. Phys., 40, 5900.
89. Kang B., Wang H., Ren F., Gila B., Abernathy C., Pearton S. et al., Appl. Phys. Lett., 91, 12110 (2007).
90. Cimalla I., Lübbers B., Cimalla V., Gebinoga M., Schober A. Ambacher O. et al., Advanced Semiconductor Materials and Devices Research: III-Nitrides and SiC, Transworld Research Network, Kerala, India, in press.
91. Lübbers B., Kittler G., Ort P., Linkohr S., Wegener D., Baur B. et al., Phys. Stat. Sol. (c), 6, 2361 (2008). Received

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BPP2-0003-0021