组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
尿素（urea）；样品基质为PBS缓冲液/人工尿素溶液，文中提及可应用于血液和尿液。
检测原理
该传感器采用酶促间接电位法。脲酶催化尿素水解：NH2CONH2+3H2O→2NH4++OH−+HCO3−，使传感膜附近OH−浓度升高、局部pH增加。Sm2TiO5高k绝缘膜表面存在羟基位点，H+/OH−在其表面结合或解离，改变表面势与平带电压，使EIS电容-电压曲线发生移动。通过测量达到归一化电容0.6所需响应电压，可得到与pH相关的电位变化。由于pH-EIS对H+的灵敏度为60.5 mV/pH，尿素浓度经脲酶转化为pH变化后，整体灵敏度为72.85 mV/purea。该过程无额外化学放大，主要依靠酶催化和pH敏感膜的高响应。
检测灵敏度
线性范围: 0.1–32 mM；灵敏度: 72.85 mV/purea；pH灵敏度: 60.5 mV/pH（pH 2–12）；滞后电压: 2.72 mV；漂移率: 1.15 mV h−1
效应效果
900 °C退火Sm2TiO5 EIS器件对H+选择性高，对Na+、K+、Ca2+、Mg2+的选择系数分别为−5.94、−5.66、−6.52和−6.56；滞后电压2.72 mV，漂移率1.15 mV/h。与Si3N4、Al2O3、Ta2O5、WO3、HfO2、Y2O3、Pr2O3和PrTiO3膜相比，其pH灵敏度最高，滞后和漂移处于较低水平。尿素生物传感器在140天内灵敏度保持72.85±5.6 mV/purea，存储期超过4个月；5个器件重复测量6次，灵敏度接近73 mV/purea，重现性良好。作者认为该传感器可用于血液和尿液中尿素检测，辅助评估肾功能。
传感器的构成
- 基底/换能器：p型(100) Si衬底（1–10 Ω cm）与背面400 nm Al接触，作为半导体沟道和电极。
- 界面层：沉积过程中形成的薄SiO2/SmSixOy硅酸盐层，改善粘附并影响界面态密度。
- pH敏感绝缘膜：约40 nm Sm2TiO5高k薄膜（RF共溅射，900 °C RTA 30 s），表面羟基与H+/OH−作用产生电位响应。
- 固定化层：藻酸盐（alginate）与CaCl2交联形成的钙藻酸盐水凝胶，包埋酶并附着于Sm2TiO5膜表面。
- 识别元件：脲酶（urease，Jack Beans，约100 U/mg），催化尿素水解生成OH−、NH4+和HCO3−。
- 封装/互连：SU-8光刻定义传感区，Ag gel导电胶连接Cu线路，环氧树脂封装保护EIS结构。
- 参比电极：Ag/AgCl参比电极，用于C–V测量中的参考电位。
中文摘要
本文描述了一种基于pH敏感Sm2TiO5电解质-绝缘体-半导体（EIS）的尿素生物传感器。作者采用X射线衍射、俄歇电子能谱和原子力显微镜研究了不同退火温度下高k Sm2TiO5传感膜的结构与形貌特征。掺有900 °C退火Sm2TiO5传感膜的EIS器件表现出良好的传感特性，包括在pH 2至12溶液中60.5 mV/pH的高灵敏度、在pH循环7→4→7→10→7中2.72 mV的小滞后电压，以及在pH 7缓冲液中1.15 mV/h的低漂移率。Sm2TiO5 EIS器件还对H+表现出高选择性响应，这种改善可归因于晶格缺陷数量少和表面粗糙度大。此外，基于掺有900 °C退火Sm2TiO5传感膜的pH敏感EIS的尿素生物传感器可在0.1至32 mM浓度范围内电位法分析尿素，灵敏度为72.85 mV/purea。
英文摘要
A urea biosensor based on pH-sensitive Sm(2)TiO(5) electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) has been described. We used X-ray diffraction, Auger electron spectroscopy, and atomic force microscopy to investigate the structural and morphological features of high-k Sm(2)TiO(5) sensing membranes that had been subjected to annealing at different temperatures. The EIS device incorporating a high-k Sm(2)TiO(5) sensing film that had been annealed at 900 degrees C exhibited good sensing characteristics, including a high sensitivity of 60.5 mV/pH (in solutions from pH 2 to 12), a small hysteresis voltage of 2.72 mV (in the pH loop 7-->4-->7-->10-->7), and a low drift rate of 1.15 mV h(-1) (in the buffer solution at pH 7). The Sm(2)TiO(5) EIS device also showed a high selective response towards H(+). This improvement can be attributed to the small number of crystal defects and the large surface roughness. In addition, the urea biosensor based on pH-sensitive EIS incorporating a Sm(2)TiO(5) sensing membrane annealed at 900 degrees C allowed the potentiometric analysis of urea, at concentrations ranging from 0.1 to 32 mM, with a sensitivity of 72.85 mV/purea.