商用pH敏感离子选择性场效应晶体管（ISFET）的性能评估与功耗优化策略研究

本刊推荐：本文系统评估了三种商用pH敏感离子选择性场效应晶体管（ISFET）在长期生物技术应用中的性能表现。通过开发自动化评估系统与OnOff工作协议，详细分析了传感器在调节时间、线性度（最高斜率59.7 mV pH?1）、精度（±0.01-0.03 pH）和响应时间（T90）等关键参数的表现。创新性地提出通过调整工作点（Ids/Vds）和间歇性测量策略，成功将ISFET功耗降低98.8%，为电池供电的生物传感设备提供了重要技术支撑。

　　

引言

氢离子活性是生物技术过程监控的关键参数之一。金属氧化物层因其对分析物浓度的可重现电化学响应而广泛应用于离子选择电极（ISE）和离子选择性场效应晶体管（ISFET）。ISFET技术自1970年Bergveld首次提出后，在精度、漂移抑制、光敏感性和温度依赖性等方面取得显著进展。2003年Bergveld系统综述了ISFET的发展历程、传感器仪器和理论模型。位点结合理论（site binding theory）成功解释了金属氧化物与溶液间羟基相互作用的分子机制，通过引入材料特性相关变量β（氧化物层缓冲能力）实现了ISFET电位输出的理论预测。

实验设计

本研究选取Sentron Europe B.V.（荷兰）、Microsens SA（瑞士）和Winsense Co., Ltd.（泰国）三家厂商的ISFET传感器，采用新开发的评估流程进行直接对比。传感器存储条件为干燥环境，使用前无需预处理。缓冲溶液采用VWR提供的标准pH缓冲体系（pH 4-10），参考电极选用BaSi Inc.的RE-5B型。

电子系统采用商用ISFET供应模块（Sentron Device, SD和Winsense Device, WD），核心控制器为ESP32模块，模数转换采用16位ADS1115芯片（分辨率62.5 μV）。通过LDO（LD2981CM33TR）或MOSFET（IRF520NPBF）实现外部供电控制。自动化采样系统基于商用3D打印机（Creality Ender-3 V3SE）改造而成，配备模块化样品架和传感器支架，可通过G代码精确控制采样流程。

评估协议设计为66小时连续测试，包含24小时pH 7条件化阶段和多个pH阶跃响应测试。线性度分析通过稳定电位输出区间（偏差＜±1 mV/10 min）的平均值计算，精度通过标准偏差和线性拟合函数转换为pH值表示。T₉₀响应时间取pH 4-10阶跃响应的90百分位平均值。

结果分析

长期性能表现显示，Sentron ISFET（S2-S4）在推荐工作点（I_ds=100 μA, V_ds=0.5 V）下展现53.0-53.8 mV pH^?1的线性响应，精度±0.08-0.09 pH，响应时间34-43秒。Microsens传感器（M2,M5,M6）需要更长条件化时间（最长达8小时），但呈现更高斜率（57.4-58.0 mV pH^?1）和优异精度（±0.01-0.03 pH）。Winsense传感器（W1）虽表现出59.7 mV pH^?1的高斜率，但存在显著电位漂移和噪声问题。

降低工作点策略（WD: I_ds=30 μA, V_ds=0.3 V）使功耗降低82%。Sentron传感器在该模式下保持50.0-50.9 mV pH^?1的线性响应，精度提升至±0.01-0.03 pH。Microsens传感器呈现55.7-56.8 mV pH^?1的斜率，但在13-16小时后出现双动态漂移现象。

OnOff测量策略采用2秒开启（50 Hz采样率）和28秒关闭的循环模式，使传感器功耗进一步降低93.3%。Sentron传感器在该模式下保持48.4-51.5 mV pH^?1的响应斜率，精度±0.02-0.11 pH。Microsens传感器展现56.2-57.6 mV pH^?1的斜率，精度±0.03-0.09 pH。两种策略结合实现总体功耗降低98.8%的突破性成果。

讨论与结论

研究表明，Sentron和Microsens的ISFET传感器在推荐工作点和OnOff模式下均能保持稳定输出。Microsens传感器在精度方面表现突出（最高±0.01 pH），但存在条件化时间较长和特殊动态漂移现象。Sentron传感器在稳定性方面更具优势，尤其在功耗优化策略下仍保持可靠性能。Winsense传感器虽然呈现最高理论斜率，但实际应用中的稳定性和重复性问题限制了其生物技术场景的适用性。

本研究开发的3D打印自动化采样平台成功实现了多参数系统评估，为ISFET传感器的性能标准化测试提供了重要工具。通过工作点优化和间歇测量策略的创新结合，显著提升了电池供电设备的运行时长，为微型化生物传感设备的实际应用奠定了技术基础。未来研究将聚焦于微型化读出电路设计和微型参比电极集成，进一步推动ISFET技术在便携式生物医学设备中的应用。