基于 ISFET 的设备现以套件形式提供，适用于医疗、生物、农业和环境应用

弗劳恩霍夫光子微系统研究所（IPMS）的研究人员开发了一项新技术，使 pH 值测量变得更加稳健、简单和可靠。

该技术不再使用传统且往往容易出错的参比电极，而是采用了一种耐用的芯片。这种芯片可以干燥储存，耐压性强，并且易于集成到紧凑的设备中。目前，首批测试套件已经问世，可快速用于医疗、生物、农业和环境应用领域。

精确的 pH 值测量是化学传感器技术领域的一大挑战。迄今为止，人们一直使用传统的银/氯化银/氯化钾电极。尽管这些电极能提供稳定的参考电位，但它们极易出现误差。电解质浓度的变化或膜堵塞、干燥都会导致读数不可靠。

虽然 pH 敏感玻璃电极此前已成功被一种称为“离子敏感场效应晶体管”（ISFET）的坚固芯片所取代，但弗劳恩霍夫 IPMS 近期才通过使用“参考 ISFET”（REFET）成功实现了对敏感参比电极的替代。

弗劳恩霍夫 IPMS 化学传感器与系统部门负责人 Olaf Hild 解释说：“我们的 ISFET 可靠、稳定且耐用。它们克服了传统参比电极的常见问题，例如隔膜堵塞或带电、因浓度变化引起的漂移以及测量溶液的污染。这使得它们特别适合移动或集成式测量系统。”

在弗劳恩霍夫 IPMS 开发的这项技术中，用第二个 ISFET 代替了敏感的参比电极，与标准的 pH 值 ISFET 配合使用。这种参考 ISFET 在 25°C 时的 pH 斜率显著较低，仅为 20 mV/pH，而通常的斜率为 59 mV/pH（根据能斯特方程）。

ISFET 晶体管涂有五氧化二铌（Nb₂O₅）或五氧化二钽（Ta₂O₅）等化合物半导体的薄层。这些材料为传感器提供了高稳定性、易于操作的特性以及良好的储存性能。两个 ISFET 通过一个辅助电极协同工作，根据测得的电信号可靠地计算出 pH 值。

Hild 解释道：“遗憾的是，我们并没有发明 ISFET-REFET 概念。它是 20 世纪 80 年代由 ISFET 的发明者 Piet Bergveld 教授及其同事创造的。然而，该概念至今尚未实现商业化。” 新组件旨在改变这一现状。最初，pH 值测量范围约为 pH 4 至 pH 8，这满足了生物学、医学、农业和环境监测中许多应用的典型测量需求。

目前，正确的润湿需要两块 5 毫米 × 5 毫米的芯片，但可根据客户要求缩小尺寸。未来，计划将这两块芯片合二为一，制成同样大小的单芯片，并集成温度测量功能。

电子开发人员 Hans-Georg Dallmann 解释了控制系统的运作方式：“长期测量在进行 2 点或 3 点校准后，需要精确控制传感器的漂移。借助控制电子设备，可以补偿这种漂移。”

Hild 总结道：“尽管前方还有大量工作要做，但我们很高兴目前已能提供测试套件，并计划在 2026 年的 Analytica（德国分析生化展）上向专业观众展示它们。”

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