Principios de análisis instrumental

Electrodo de referencia Encapsulante FIGURA 23.11 Un ISFET para medir pH. p Drenaje Sustrato Fuente sección 2C.3). El ISFET se diferencia únicamente en que la varia– ción de la concentración de los iones de interés proporciona el voltaje de compuerta variable para controlar la conductividad del canal. Como se muestra en la figura 23 .11, en lugar del contacto metálico usual, la compuerta de un ISFET está cubierta con una capa aislante de nitruro de silicio (Si 3 N 4 ). La disolución de ana– lito, que contiene iones hidrógeno en este ejemplo, está en con– tacto con esta capa aislante y con un electrodo de referencia. La superficie del aislante de la compuerta funciona de manera muy similar a la superficie de un electrodo de vidrio. Los protones procedentes de los iones hidrógeno en la disolución por estu– diar están adsorbidos en sitios microscópicos disponibles en el nitruro de silicio. Cualquier cambio en la concentración del ion hidronio de la disolución causa un cambio en la concentración de los protones adsorbidos. Entonces, el cambio en la concen– tración de los protones adsorbidos da origen a un cambio en el potencial electroquímico entre la compuerta y la fuente, lo que a su vez varía la conductividad del canal del ISFET. La conductivi– dad del canal se puede controlar electrónicamente para facilitar una señal que sea proporcional al logaritmo de la concentración de H+ en la disolución. Observe que todo el ISFET, excepto el aislante de la compuerta, está cubierto con un encapsulante poli– mérico para que todas las conexiones eléctricas queden aisladas de la disolución de analito. 23E.2 Aplicaciones de los ISFET La superficie sensible a iones de un ISFET responde naturalmente a las variaciones en el pH, pero el dispositivo puede volverse sen– sible a otras especies si el aislante de nitruro de silicio de la com– puerta se recubre con un polímero que contenga moléculas que tiendan a formar complejos con especies diferentes del ion hidro– nio. Además, se pueden fabricar varios ISFET sobre el mismo sustrato, de modo que puedan efectuarse de manera simultánea múltiples medidas. Para resaltar la exactitud y la confiabilidad, todos los ISFET pueden detectar las mismas especies, o cada ISFET se puede cubrir con un polímero diferente de forma que puedan hacerse mediciones de varias especies diferentes. Los ISFET tienen ventajas significativas sobre los electrodos de membrana, entre las cuales están la construcción resistente, su pequeño tamaño, son inertes en ambientes agresivos, tienen res– puesta rápida y baja impedancia eléctrica. A diferencia de los elec- >» 23F Sistemas de electrodo sensible a moléculas 603 trodos de membrana, los ISFET no requieren hidratación previa a su uso y pueden almacenarse por periodos indefinidos en estado seco. A pesar de estas numerosas ventajas, no apareció en el mer– cado ningún electrodo ISFET específico de iones hasta principios de los años noventa, más de 20 años después de su invención. La razón de este retraso es que los fabricantes eran incapaces de desarrollar la técnica para encapsular los dispositivos con el fin de crear un producto que no presentara deriva e inestabilidad. Al parecer, la única desventaja importante de los ISFET aparte de la deriva es que requieren un electrodo de referencia más o menos tradicional. Este requisito coloca un límite inferior en las dimensiones de la sonda del ISFET. La investigación continúa en el perfeccionamiento de un par diferencial de ISFET, uno que sea selectivo del ion del analito y otro que no lo sea. El segundo ISFET de referencia se llama REFET, y se usa un amplificador diferencial para medir la diferencia de voltaje entre el ISFET y el REFET, que es proporcional a pX. 18 Muchos dispositivos elaborados a partir de ISFET ya están en el mercado desde la década anterior para determinar el pH, pero la investigación continúa sobre el perfec– cionamiento de dispositivos que manifiestan afinidad con otros analitos. En las últimas tres décadas se han registrado más de 150 patentes sobre ISFET, y más de 20 compañías producen ISFET de varias maneras. La promesa de un sensor diminuto pero fuerte que se pueda usar en diversos medios agresivos y poco comunes se cumple a medida que se resuelven los problemas de los electro– dos de referencia. 23F SISTEMAS DE ELECTRODO SENSIBLE A MOLÉCULAS Se han creado dos tipos de sistemas de electrodos de membrana que actúan selectivamente hacia ciertos tipos de moléculas. Uno de ellos se utiliza para la determinación de gases disueltos, como dióxido de carbono y amoniaco. El otro, que se basa en las mem– branas biocatalíticas, permite determinar una variedad de com– puestos orgánicos, como glucosa y urea. 23F.1 Sondas sensibles a gases Durante las últimas tres décadas se han comercializado varios dispositivos electroquímicos sensibles a gases. En los manuales de los fabricantes se les suele denominar "electrodos" sensibles a gases. Como puede verse en la figura 23.12, de hecho, no son electrodos, sino celdas electroquímicas construidas con un elec– trodo específico de iones y uno de referencia sumergidos en una disolución interna que está retenida por una delgada membrana permeable a gases. Por consiguiente, sondas sensibles a gases es un nombre más apropiado para ellos. Las sondas sensibles a gases son dispositivos notablemente selectivos y sensibles a gases disueltos o de iones que pueden ser convertidos en gases disueltos ajustando el pH. Diseño de las sondas de membrana La figura 23.12 es un esquema que muestra los detalles de una sonda sensible a gases para dióxido de carbono. El corazón de la sonda es una membrana delgada y porosa que se reemplaza con 18 P. Bergveld, Sens. Actuators, B, 2003,88, p. 1, DO!: 10.1016/S0925-4005(02)00301-5.