EIS型生化传感器的物理建模与计算机辅助设计

摘要

EIS型生化传感器是一种将生物化学敏感材料与半导体器件有机结合的传感器.既可实现对生物化学信息的检测,又具有半导体器件微型化、固态化、集成化的特点,是现代微型生化传感器研究中的热点之一.随着生物信息科学、材料科学、微机械加工技术、微电子学等各学科的不断发展与相互融合,EIS型生化传感器在器件结构、检测技术、高灵敏度、多功能化、微型化、全固态化等方面都得到了深入研究,并在环境监测、生化量检测、以及临床医学等生命科学领域得到了应用.要实现EIS型生化传感器的计算机模拟必须建立其响应过程的理论模型,EIS型生化传感器的本性决定了这必将是一个交叉学科的课题,涉及到电子、计算机、生物化学等多个学科领域,是现代科学研究的主流方向.该文工作的目的是实现对EIS型传感器的计算机模拟和辅助分析.主要研究工作如下:1.敏感机制物理模型的研究通过对各类EIS型生化传感器的结构及工作原理的研究,以及对现有EI界面敏感机制的深入分析,建立了EI界面的理论模型.2.EI界面势计算机辅助分析的研究以该文建立的理论模型为基础,开发了EI界面势CAA程序,以H+敏感膜为例对各种条件(包括偏置电压、表面格点密度、解离常数等)下敏感膜的EI界面势进行了定量分析.3.宏模型技术对EIS型生化传感器计算机模拟的研究在对LAPS型生化传感器工作原理深入研究的基础上,利用宏模型技术中的等效电路法,分别建立了LAPS转换器和敏感膜的等效电路,并用PSPICE进行了初步模拟;4.对EIS型生化传感器数学宏模型法计算机模拟的研究利用PSPICE数学宏模型法,分别建立了IS、EI界面的PSPICE数学宏模型,并以此为基础建立了EIS-LAPS数学宏模型,利用PSPICE软件对其进行了初步模拟.随着制备技术、检测技术的日益成熟,及其在生物医学方面的广泛应用,EIS型生化传感器具有良好的发展前景和巨大的商业价值.因此对EIS型生化传感器物理模型及其计算机辅助分析的研究,在缩短设计周期、降低成本等方面都具有十分重要的理论和实际意义.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1概述

1.1.1半导体传感器

1.1.2 EIS型生化传感器

1.1.3 EIS型生化传感器发展状况

1.2 EIS型生化传感器理论研究现状

1.3本文的主要工作及创新点

第二章理论模型

2.1理论模型及其分析

2.1.1对现有理论模型的剖析

2.1.2 EIS型生化传感器与ISE的区别

2.1.3本文研究方法的确立

2.2对表面格点模型的修正

2.2.1表面格点的形成

2.2.2表面格点面密度

小结

2.3固-液界面势

2.3.1概述

2.3.2表面带电格点上的吸附模型

2.3.3离子在敏感膜内的输运模型

2.3.4近敏感膜溶液中的双电层模型

2.3.5小结

2.4选择性的研究

2.4.1表面选择性

2.4.2输运选择性

2.4.3小结

小结

2.5本章小结

第三章EI界面势的计算机辅助分析

3.1程序设计

3.1.1数学模型的建立

3.1.2程序设计流程

3.2.2EI界面势CAA程序介绍：

3.2.1参数输入窗口

3.2.2结果显示窗口

3.3结果与讨论

3.3.1双电层模型的定量分析

3.3.2敏感膜表面带电格点密度

3.3.3离子在敏感膜表面的吸附密度

3.3.4凝胶层电势

3.3.5 EI界面电势

3.4本章小结

第四章利用宏模型技术对EIS型生化传感器的计算机模拟

4.1宏模型技术简介

4.1.1概述

4.1.2宏模型的种类

4.1.3基本原则和常用方法

4.1.4本文采用的宏模型方法

4.2 LAPS中转换器的等效电路

4.2.1 LAPS的空间电荷层电容

4.2.2光电效应

4.2.3 LAPS半导体部分等的效电路

小结

4.3 Si3N4/SiO2-H+敏感膜等效电路

4.3.1 Si3N4/SiO2膜的制备方法

4.3.2H+敏感机制的研究

4.3.3 等效电路

4.4 Pt黑/LaF3-溶解氧敏感膜等效电路

4.4.1 Pt黑-LaF3膜制备方法

4.4.2溶解氧敏感机制的研究

4.4.3 等效电路

4.5 EIS-LAPS等效电路

4.6 PSPICE模拟结果

4.6.1实测系统及模拟所用数据

4.6.2结果与讨论

第五章数学宏模型

5.1 PSPICE数学宏模型简介

5.1.1概述

5.1.2数学宏模型

5.2 LAPS的PSPICE数学宏模型

5.2.1 IS界面宏模型

5.2.2EI界面宏模型

5.2.3 EIS-LAPS宏模型

5.3 LAPS数学宏模型的计算机模拟

5.4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的文章