Resultados e Discussão
3.6 FETs como Sensores de pH
Baseando-se nos resultados de caracterização elétrica, a próxima etapa consistiu em caracterizar a influência do pH do meio no valor de VGS, através de experimentos de fluxo
contínuo de soluções com diferentes valores de pH sobre os transistores produzidos. Para estes experimentos, priorizou-se a caracterização dos transistores formados por SiO2/Al2O3 e
SiO2/Al2O3/AuNPs, uma vez que as superfícies de Si/SiO2 já foram caracterizadas em trabalhos
prévios e exibem uma sensibilidade de 30 mV/pH.[94]
Desta maneira, as primeiras caracterizações foram realizadas para as superfícies de SiO2/Al2O3. As medidas de IDS em função do tempo e de soluções com diferentes pHs,
demonstram que a corrente entre fonte e dreno diminui quando soluções com pH = 10 a 3 são inseridas sobre os FETs (Figura 3.23A).
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Figura 3.23 A) Detecção em tempo real de IDS quando o FET SiO2/Al2O3 é exposto a soluções
de pH 10 a 3. B) Ilustração esquemática mostrando o comportamento do canal condutor entre fonte e dreno quando a superfície do sensor esta exposta em meios alcalinos I e meios ácidos II. C) Dependência de VGS em função dos diferentes pH
na superfície dos FETs de SiO2/Al2O3 D) Dependência de IDS em função de
pequenas variações de pH (0.3 unidades).
Este comportamento pode ser compreendido pela alteração do potencial de superfície devido as mudanças de pH na região de porta dos FETs. Esta dependência é descrita através da seguinte equação[95]
(Eq. 3.21)
onde ΔΨ é a mudança de potencial de superfície induzido por uma determinada solução de pH, o termo corresponde a voltagem termal, onde κB é a constante de Boltzmann, T é a
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enquanto pHpzc representa o potencial de carga zero do óxido e ΔpH é a variação de pH na
superfície do sensor. A superfície do óxido apresenta grupos hidroxilas, que em meio aquoso podem estar tanto protonados como desprotonados, dependendo do pH do meio.[95] Em meios altamente alcalinos os grupos hidroxila (-OH) estão desprotonados (-O-) e atuam como um eletrodo de porta, aplicando tensão negativa nesta, causando assim um aumento em IDS devido a
um aumento na densidade de lacunas no canal condutor entre fonte e dreno (Figura 3.23B, I). Em situações opostas, isto é, em meios ácidos, os grupos hidroxilas estão protonados (-OH2+) e as
cargas positivas na porta dos FETs causam uma depleção nos portadores de cargas majoritários (lacunas) presentes no canal condutor, fazendo desta forma com que a corrente de IDS diminua
(Figura 3.23B, II).[38] Esta corrente de IDS pode ser diretamente convertida para VGS. A Figura
3.23C mostra uma variação linear de VGS dentro da faixa de pH analisada. Todavia, a
sensibilidade dos dispositivos foi de 16 mV/pH, o qual corresponde a um limite sub- Nernstiniano. Esta diferença em relação a uma resposta Nernstiniana pode ser atribuída a um aumento da resistência total em série da porta dos transistores devido à formação de uma nova camada (alumina anódica) em sua superfície. A Figura 3.23D demonstra que os FETs são capazes de diferenciar valores de pH com 0,3 unidades dentro uma faixa de pH fisiológico. Estes resultados são de extrema importância, pois possibilita que estes dispositivos possam ser aplicados em experimentos eletrofisiológicos visando a detecção de pequenas variações de pH em células, como por exemplo durante os processos sinápticos de liberação de neurotransmissores.
Nas Figuras 3.24A e B são apresentados os resultados referentes aos transistores contendo as nanopartículas de Au (SiO2/Al2O3/AuNPs). Da mesma forma que foi observado para
os transistores de SiO2/Al2O3, verificou-se também, através da Figura 3.24A que a corrente de
IDS diminuiu de forma discreta quando soluções com pH 10 a 3 foram inseridas sobre os FETs.
Este decréscimo de corrente em função do aumento da acidez da solução é consistente com o mesmo mecanismo descrito na Figura 3.23B. A variação de VGS em função do pH para estas
medidas foi linear conforme visto na Figura 3.24B, e a sensibilidade obtida para estes transistores foi de 34 mV/pH.
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Figura 3.24 A) Detecção em tempo real da variação de IDS quando FETs do tipo
SiO2/Al2O3/AuNPs foram expostos a soluções de pH 10 a 3. B) Dependência de
VGS em função dos diferentes pH na superfície dos FETs (n = 5).
Este valor corresponde a um pouco mais do que o dobro obtido para SiO2/Al2O3 e indica que a
variação de potencial elétrico na superfície dos FETs pode ser realçada quando nanopartículas estão presentes sobre estes. Este é um aspecto importante destes transistores nanoestruturados, pois, este valor de sensibilidade é muito similar ao valor encontrado experimentalmente para as superfícies de Si/SiO2, porém com uma área superficial muito superior. A razão desta maior
sensibilidade pode ser atribuída às maiores variações de campo elétrico na superfície das partículas, as quais devido a sua natureza metálica e sua grande área superficial apresentam também uma alta densidade cargas, como elétrons.[43,44] Desta forma, com a mudança de pH é naturalmente esperado que ocorra também uma mudança nos momentos de dipolo das espécies adsorvidas na superfície das partículas, afetando assim o gradiente de campo elétrico destas e
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consequentemente mudando a magnitude do campo que modula a corrente entre fonte e dreno.[42] Como já destacado, estas análises foram importantes e demonstraram que estes resultados são bastante promissores, de modo que nas próximas duas seções serão apresentados os resultados da aplicação destes FETs para a detecção de moléculas de neurotransmissores.