Proposta de pesquisa

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1 Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas Proposta de pesquisa Instrumentação científica para desenvolvimento de sensores de ph e bio-sensores Resumo 2 1 Introdução 3 2 Objetivo do projeto de pesquisa 4 3 Dispositivos de efeito de campo 4 4 Estado da Arte Experiência previa 9 5 Detalhes do projeto de pesquisa Fabricação da membrana Sistema de deposição Deposição de filmes Caracterização elétrica Sistema de medidas Desenvolvimento de bio-sensores Plano de trabalho 13 6 Considerações finais 14 7 Conclusão 15 8 Referência 17 CBPF - Batista PD, junho de

2 Resumo Este projeto de pesquisa tem como principal objetivo empreender esforços em direção ao desenvolvimento da instrumentação cientifica voltado para o a fabricação de sensores que podem ter aplicações inicialmente em Medicina e Biologia. Por exemplo, uma importante variação de sistemas utilizados para determinar a concentração iônica é a utilização dos dispositivos de efeito de campo como transdutores. O transistor de efeito de campo sensível a íons (ISFET) é uma das formas mais elegantes de interfaces entre o dispositivo eletrônico e o ambiente biológico. Entretanto, recentemente tem sido proposto uma nova estrutura como alternativa à fabricação do ISFET. São denominados EGFETs, os quais consistem em uma membrana seletiva, depositada em forma de filme fino sobre um substrato, interligada a um MOSFET comercial. Uma idéia simples e trivial que possibilita a pesquisa e o desenvolvimento de sensores de ph e bio-sensores sem a necessidade da fabricação do MOSFET. Portanto, a idéia principal desse projeto de pesquisa consiste no desenvolvimento de sensores de ph a partir da fabricação de EGFETs, desde que a fabricação do MOSFET não é necessária. O EGFET pode ser utilizado como uma ferramenta para o estudo de materiais que possam ser utilizados como sensores de ph e bio-sensores. É importante ressaltar que, esse projeto de pesquisa também tem como objetivo contribuir para o fortalecimento da instrumentação científica presente no CBPF. Dessa forma, serão desenvolvidos instrumentos científicos tanto para a deposição de filmes finos quanto para a caracterização elétrica dos sensores. Além disso, com o sucesso da pesquisa científica pretende-se também desenvolver um sistema dedicado para a quantifição de ph. Em poucas palavras, esse sistema será composto por uma eletrônica responsável pela aquisição e processameto do sinal proveniente do EGFET, além de um programa de computador para prover uma interface com o usúario, permitindo assim o controle do sistema e a manipulação dos dados. CBPF - Batista PD, junho de

3 1 Introdução A palavra sensor é derivada do Latin sentire e significa perceber. Portanto, um sensor sugere algum tipo de relação com os sentidos humanos. Ou seja, ele tem a capacidade de trazer informações sobre sinais químicos ou físicos que nossos sentidos são incapazes de perceber. Um sensor pode ser definido como um dispositivo com a capacidade de detectar um sinal de entrada (tal como calor, som, pressão, luz e etc.) e converter em um apropriado sinal de saída [1]. A principal característica de um sensor é a conversão de uma energia para outra. O projeto de pesquisa está principalmente interessado no desenvolvimento de sensores que abrangem a conversão de um sinal químico em um sinal elétrico. Estes dispositivos são denominados sensores químicos, bioquímicos, ou bio-sensores [2]. A pesquisa na área de bio-sensores tem tido um enorme crescimento nestes últimos anos e uma grande quantidade de tipos de bio-sensores já foram propostos [3]. Dentre eles, destaca-se o surgimento do transistor de efeito de campo sensível a íons (ISFET, abreviado direto do inglês íon-sensitive field effect transistor) fabricado por Bergveld [4,5]. O ISFET foi introduzido como o primeiro sensor químico com pequenas dimensões baseado em dispositivo semicondutor. Desde então, mais de 700 artigos foram publicados relacionados ao ISFET e outros 200 são relacionados com este dispositivo, tais como os EnzimasFETs, ImunoFETs, etc [5]. O grande interesse nos bio-sensores baseados no ISFET são os denominados transistores de efeito de campo modificados biologicamente, que têm gerado um grande número de publicações. Estes dispositivos de efeito de campo constituem atualmente um elemento estrutural básico de micro-sensores químicos e biológicos; eles possuem vantagens potenciais tais como, tamanho reduzido, leveza, resposta rápida, alta segurança e possibilidade de integração dos bio-sensores em matrizes de circuitos integrados com perspectiva de produção em massa de sistemas portáteis para micro-análise com baixo custo; além disso, podem ser aplicados em biotecnologia e monitoramento ambiental de indústrias alimentícias e farmacêuticas [2]. A importância dos bio-sensores também está fundamentada em suas diversas aplicações na área médica, sejam em laboratórios de pesquisa, laboratórios clínicos, em cuidados clínicos ou como componentes de instrumentos terapêuticos especiais. Cada CBPF - Batista PD, maio de

4 uma destas aplicações envolve uma demanda por um sensor específico. Por exemplo, a aplicação de bio-sensores em laboratórios clínicos origina-se pela grande demanda por métodos rápidos, confiáveis e baratos para a determinação de substâncias em fluidos biológicos tais como glicose no sangue, colesterol, lactato, uréia, creatinina, ácido úrico, hemoglobina, etc. [2,6]. 2 Objetivo do projeto de pesquisa De maneira clara e objetiva a principal intenção do projeto de pesquisa é iniciar uma linha de pesquisa na área de Instrumentação Científica primeiramente voltada para o desenvolvimento tecnológico de sensores a partir de dispositivos semicondutores. A pesquisa cientifica compreenderá desde a fabricação e teste dos dispositivos, passando pela aplicação e caracterização em sistemas biológicos até o eventual desenvolvimento do protótipo. Conseqüentemente, essas atividades também estarão contribuindo para desenvolvimento da tecnologia nacional desde que diversas ferramentas, a serem utilizados durante a pesquisa científica, serão desenvolvidos no CBPF. Para alcançar esse objetivo, inicialmente às pesquisas serão direcionadas para o desenvolvimento de dispositivos utilizando como propriedade para detecção e/ou quantificação o efeito de campo. Finalmente, em um período de três anos, espera-se que um completo sistema de medidas para a quantificação de ph em sistemas biológicos seja desenvolvido. Esses dispositivos também serão utilizados para a detecção e quantificação de compostos biológicos, tais como glicose, uréa e etc. Mais detalhes sobre o sistema de medida de ph e a instrumentação científica a ser desenvolvida serão discutidos ao longo do texto. 3 Dispositivos de efeito de campo O tópico mais relevante a ser discutido nessa secção diz respeito ao desenvolvimento de novos tipos de bio-sensores baseados no princípio de funcionamento do ISFET. Desde 1999, foram publicados artigos propondo uma nova alternativa à fabricação do ISFET. Esses novos dispositivos são denominados EGFET (abreviado direto do inglês, Extended gate field effect transistor). Na verdade, o primeiro trabalho publicado sobre EGFET foi em 1983 por J. Van Der Spiege e colaboradores [7]. Atualmente, existem publicados cerca de 40 artigos científicos e 8 CBPF - Batista PD, maio de

5 patentes internacionais utilizando o EGFET. O princípio de fucionamento do MOSFETs e ISFET serão discutidos antes de apresentar a estrutura do EGFET. O ISFET é um dispositivo sensível a íons baseados no transistor de efeito de campo (FET). O FET é um transistor de três terminais, utilizado em várias aplicações e que realiza, em larga escala, muitas funções do TBJ (direto do inglês, Transistor Bipolar Junction). A construção básica do MOSFET (do inglês, metal-oxidesemiconductor-field-effect transistor) canal n é mostrada na Figura 1 [8,9]. [ Figura 1 ] Representação esquemática do MOSFET ( à esquerda) e diagrama eletrônico (à direita). A operação do MOSFET é relativamente simples. Uma diferença de potencial V DS entre o dreno e a fonte produz uma corrente I DS no canal formado predominantemente por elétrons. O valor desta corrente é determinado pela tensão V DS e também pela resistência do canal, que por sua vez depende da concentração de impurezas, do comprimento e da área efetiva da seção reta do canal. Esta área pode ser controlada pelo tamanho das regiões de depleção das junções p-n, uma vez que nestas não existem elétrons de condução. Como a espessura da região de depleção depende da tensão reversa na junção a corrente de dreno I D varia com a tensão V GS entre o gate e a fonte. A diferença entre o ISFET e o MOSFET é que o gate do MOSFET é substituído por uma membrana sensível a íons. Assim, o ISFET pode ser considerado como um MOSFET onde o gate foi substituído por uma membrana sensível a íons, um eletrodo de referência e uma solução caracterizada por um ph, como mostra a figura 2. Desde a introdução do ISFET em 1970, o dispositivo tem recebido muita atenção, CBPF - Batista PD, maio de

6 principalmente focada em melhorar seu desempenho usando outros tipos de materiais para a fabricação gate. [ Figura 2 ] Representação esquemática do ISFET O dióxido de silício (SiO 2 ) foi o primeiro utilizado como uma membrana sensível a ph. Depois deste, os óxidos Al 2 O 3, Si 3 NO 4, Ta 2 O 5 e SnO 2 também foram utilizados como membranas sensíveis a íons de hidrogênio devido sua alta sensibilidade, estabilidade e apresentarem uma relação linear entre a corrente e o ph [4,5]. Assim como o MOSFET, a resistência do canal no ISFET depende do campo elétrico perpendicular à direção da corrente. Cargas da solução se acumulam no topo da membrana isolante e não passam através da membrana sensível a íons. Os sensores de ph desenvolvidos a partir de FETs possuem a sensibilidade para detectar o campo elétrico criado pelos íons de H + presentes na solução aquosa. A intensidade do campo elétrico, que depende da concentração de íons na solução, modula a intensidade de corrente elétrica através do MOSFET. Em resumo, o ISFET combina duas funções simultaneamente: uma detecção seletiva de íons através da membrana e uma transformação do potencial sentido pela superfície em uma correspondente variação da corrente de dreno. Pode-se pensar o ISFET como um MOSFET conectado por uma membrana seletiva a íons. Esta simples visualização nos leva ao desenvolvimento do EGFET: nada mais nada menos, consiste de uma membrana seletiva depositada em forma de filme fino sobre um substrato e interligada a um MOSFET comercial [10-13]. Uma idéia simples e trivial que possibilita a pesquisa e o desenvolvimento de sensores de ph e biosensores sem a necessidade da fabricação do MOSFET. A Figura 3 apresenta a estrutura do EGFET. CBPF - Batista PD, maio de

7 A estrutura responsável pela detecção dos íons é formada, por exemplo, por uma camada de óxido de zinco (ZnO) depositada sobre um substrato de alumínio [12]. Esta membrana é conectada ao MOSFET comercial, resultando no EGFET como sensor de ph. Uma das principais vantagens encontradas no desenvolvimento desse dispositivo é que o sensor utilizará um MOSFET comercial. [ Figura 3 ] Representação da estrutura do EGFET e do sistema de medida. O EGFET consiste em uma (a) membrana seletiva a íons de hidrogênio conectada a um MOSFET comercial. Assim, ao contrário do ISFET, o EGFET pode ser fabricado com um baixo custo, pois as etapas relacionadas ao desenvolvimento do MOSFET não são necessárias. Essas características fazem dos EGFETs uma alternativa à fabricação dos ISFETs e podem também, ser utilizados como uma ferramenta para o estudo de materiais com aplicações em sensores de ph e bio-sensores. Em comparação com outros tipos de biosensores, o EGFET tem com certeza vantagens bem conhecidas: miniaturização, baixo custo, alta sensibilidade e potencial para multi-detecção. 4 Estado da arte CBPF - Batista PD, maio de

8 Desde do surgimento do EGFET, vem sendo discutidas algumas características desejáveis para a fabricacao de óxidos atuando como membrana seletiva á íons de hidrogênio. A princípio, os óxidos devem ser anfotéricos e preferencialmente apresentarem estabilidade quando imersos em soluções em uma ampla faixa de ph ( 2 ph 12 ). Nesse aspecto, vários óxidos foram estudados por tentativa e erro pois a instabilidade de óxidos em soluções ainda não é bem conhecida. Nota-se que, dependendo do processo de fabricação, algums óxidos não podem ser utilizados em determinadas faixas de ph. Por exemplo, o SnO 2 depositado pela técnica sol-gel danifica-se quando imerso em solucao com ph 9 [14,15]. Esse comportamento nao é observado quando o material é depositado por sputtering [16-20]. Por outro lado, mesmo que depositado por sputtering, o W 3 O 2 danifica-se quando imerso em ph 7, enquanto que, o Pb 2 O 3 depositado por sol-gel, apresenta uma estabilidade desejável [21-23]. A sensibilidade do sensor de ph é considerada umas das propriedades mais importante. Teóricamente, espera-se que dispositivos por efeito de campo tenham uma máxima sensibilidade na ordem de 59 mv/ph. Deseja-se também que a resposta do sensor seja linear e constante em toda a faixa de ph ( 2 ph 12). Modelos teóricos e alguns experimentos correlacionam algumas das propriedades do material com a sensibilidade dos dispositivos. Por exemplo, uma das características discutida, refere-se a forma estrutural do óxido. Em EGFETs utilizando o SnO 2 e o Pb 2 O 3, depositado por supttering e so-gel respectivamente, nota-se que a transição de fase do óxido de amorfa para a cristalina reduz a sensibilidade de 55 mv/ph para 30 mv/ph [16,21]. A partir de modelos teóricos, a cristalinidade do óxido é relacionada ao baixo número de sitios reponsáveis pela adsorção dos íons de hidrogênio. Além do mais, observa-se que a resistividade do filme influência na resposta do EGFET. Por exemplo, os óxidos isolantes TiO 2, Al 2 O 3, Si0 2, Si 3 NO 4 e Ta 2 O 5, geralmente utilizados para a fabricação do ISFET, apresentaram uma baixa sensibilidade quando utilizados como membrana seletivas em EGFETs. Enquanto que, óxidos com alta condutividade, como por exemplo o SnO 2 dopado com Índio (ITO) apresentam respostas satisfatórias. A influência da condutividade vem sendo discutida através de modelos teóricos envolvendo resistores e capacitores. Entretanto, poucos experimentos foram realizados e uma explicação satisfatória ainda nao é conhecida [24]. Em resumo, atualmente existem algumas questões em aberto que precisam ser CBPF - Batista PD, maio de

9 investigadas. Por exemplo, entender como a estrutura e a codutividade do filme fino afetam a sensibilidade do sensor do EGFET como sensor de ph. 5 Experiência prévia Durante o doutorado realizei pesquisas científicas para o desenvolvimento de EGFETs. Inicialmente filmes finos utilizando SnO 2 e ZnO foram fabricados utilizando a técnica sol-gel. Uma sensibilidade de 38 mv/ph foi obtida utilizando o ZnO. Inicialmente, acreditou-se que os EGFETS a partir de ZnO apresentaram uma baixa sensibilidade devido principalmente a sua forma estrutural e ao grau de pureza. Observou-se que a partir da técnica sol-gel nao foi possível fabricar um filme amorfo e ao mesmo tempo sem a presença de material orgânico. Pois para eliminar o material orgânico, uma temperatura de aquecimento superior a 300 o C seria necessária. Entretanto, próximo de 300 o C ocorre a transição de uma estrutura amorfa para cristalina. Recentemente, experimentos com filmes comercias de SnO 2 dopados com flúor (FTO) apresentaram uma sensibilidade de 55 mv/ph foram fabricados. O interessante é que a estrutura cristalina, bastante discutina na literatura, não influenciou na sensibilidade do sensor. A fabricação desse dispositivo representa um grande avanço para a desenvolvimento de sensores de ph. E principalmente, reabre as portas para a pesquisa do ZnO como mebrana seletiva, mesmo que em uma estrutura cristalina. 6 Detalhes do projeto de pesquisa A idéia principal do projeto de pesquisa consiste em iniciar o desenvolvimento de sensores de ph a partir da fabricação de EGFETs. Por outro lado, em paralelo as pesquisas científicas, serão empreendidos esforços para o fortalecimento do Instrumentação Científica através do desenvolvimento tecnológico do sistema de deposição de filmes finos assim como os instrumentos necessários para a caracterização elétrica do sensor. Didaticamente, a pesquisa para a fabricação dos EGFETs será realizadas em quatro etapas: fabricação da membrana, caracterização elétrica dos sensores, desenvolvimento do protótipo e aplicação em bio-sensores. Nas próximas seções, todas as etapas serão discutidas em detalhes. 7 Fabricação da membrana CBPF - Batista PD, maio de

10 O desenvolvimento tecnológico na área de dispositivos semicondutores por efeito de campo inicia-se com a fabricação de membranas sensíveis á íons de hidrogênio. Em seguida, será possível desenvolver diferentes tipos de dispositivos baseados no efeito de campo, pois a membrana é considerada como a base para o funcionamento do sensor. Dessa forma, a primeira etapa consiste na pesquisa e desenvolvimento de filmes finos com características adequadas para serem utilizados como membranas seletivas á íons de hidrogênio. Em geral, tem-se relatado a fabricação do EGFET e ISFET utilizando óxidos depositados a partir da técnica de sputtering. Entretanto, essa técnica necessita de equipamentos de alto custo. Por outro lado, a realidade brasileira nos faz buscar métodos baratos e eficientes para a produção de materiais. Dentre os vários métodos de deposição conhecidos, nesse projeto de pesquisa pretende-se iniciar a pesquisa desenvolvendo a técnica denominada spray pyrolysis. Inicialmente, filmes de SnO 2 e ZnO serão investigados como membranas seletivas á íons de hidrogênio [27-42]. Futuramente, a utilização de outros óxidos ou polímeros também pode ser investigada. 8 Sistema de deposição Durante os primeiros meses pretende-se fabricar o sistema para a deposição dos óxidos. Esse sistema de deposição pode ser facilmente desenvolvido e otimizado com tecnologia nacional dentro do próprio laboratório de pesquisa. O método de spray pyrolysis consiste basicamente na vaporização da solução do material a ser depositado, formando tanto materiais amorfos quanto cristalinos. Nesse método a solução é borrifada em direção aos substratos previamente aquecidos, usando um bico injetor com a ajuda de um gás inerte. As propriedades físicas dos filmes depositados são influenciadas por parâmetros de deposição tais como: a) temperatura de substrato, b) solução precursora, c) fluxo de solução, d) fluxo de gás, e) concentração da solução e f) distância bico injetor-substrato. Dessa forma, será também desenvolvido um sistema eletrônico para controlar a temperatura do substrato, a rotação do porta amostra, o fluxo da solução assim como monitorar a espessura do filme em tempo real. O controle desses parâmetros é essencial para alcançar uma reprodutibilidade na deposição dos filmes. Será também desenvolvido um programa de computador para CBPF - Batista PD, maio de

11 realizar a comunicação entre um computador pessoal e o sistema de deposição, criando assim, uma interação amigável com o usuário. Dessa forma, a automação permitirá estabelecer diferentes configurações para a deposição. 9 Deposição de filmes finos Essa técnica de deposição apresenta uma série de parâmetros que devem ser otimizados para alcançar as características desejadas. Dessa forma, todos esses parâmetros serão estudados para alcançar filmes com diferentes espessuras, condutividade e forma estrutural. Por exemplo, observa-se que o aquecimento do substrato melhora a adesão dos filmes impedindo assim que o mesmo seja danificado quando imerso em soluções aquosas. Além disso, para controlar a condutividade, as soluções utilizadas para a deposição podem ser dopadas a partir de flúor ou índio. Os filmes podem ser ainda tratados em uma atmosfera de oxigênio para investigar a influência estequiométrica na resposta do sensor. Para investigar as propriedades dos filmes finos as seguintes técnicas, presentes no CBPF, podem ser utilizadas: Difração de raios-x; Espectroscopia de infravermelho; Microscopia eletrônica por varredura; medidas de condutividade no escuro e sob influência de radiação eletromagnética. 10 Caracterização elétrica Um profundo conhecimento da adsorção e interação de íons de H + na superfície do EGFET é de grande interesse não somente em aplicações de sensores de ph, como também no desenvolvimento de bio-sensores que utilizam a medida de ph para determinar indiretamente a concentração de outra substância de interesse. Portanto, a segunda etapa consiste em uma investigação sistemática dos efeitos de carga, induzidos no EGFET pela adsorção e ligação de íons de hidrogênio, em particular, quando o EGFET é utilizado para a quantificação de ph. Os EGFETs serão investigados em termos de algumas propriedades relacionadas aos sensores de modo geral, por exemplo: sensibilidade, seletividade, estabilidade e velocidade de resposta. Além disso, para estudar a reprodutibilidade na detecção íons de hidrogênio o EGFET será caracterizado em diferentes condições de operacao, tais como solução buffer, ph, força iônica, temperatura e resposta em frequência. CBPF - Batista PD, maio de

12 11 Sistema de medidas Inicialmente o EGFET pode ser estudado medindo-se a corrente entre o dreno e a fonte do transistor. Para isso, são utilizadas tensões contínuas no transistor e no eletrodo de referência. Inicialmente, será necessário um sistema para medidas elétricas, o qual será facilmente desenvolvido dentro do laboratório de pesquisa. Ou seja, em termos de Instrumentação Científica, o projeto de pesquisa prevê o desenvolvimento de um sistema de controle de tensão e medida de corrente elétrica utilizando como principal componente um microcontrolador. Esse componente possui em um único encapsulamento, uma unidade central de processamento, memória de programa, memórias auxiliares, sistema de entrada/saída (I/O) e vários periféricos que variam entre os modelos (por exemplo: conversores A/D, comparadores analógicos, e etc). É importante ressaltar que os microcontroladores estão presentes em praticamente todos os produtos modernos, desde microondas, televisores, aparelhos de som, celulares e até relógios. Assim, adquirir um amplo conhecimento de microcontroladores será importante para contribuir, futuramente, em projetos para o desenvolvimento de equipamentos eletrônicos para serem utilizados por pesquisadores do CBPF. Pretende-se também implementar um sistema de medidas para estudar a resposta em frequência do EGFET. Essa técnica é geralmente denominado espectroscopia por impedância e pode ser facilmente adaptda a partir de um osciloscópio digital e um gerador de sinal. Por exemplo, a resposta do sensor pode ser monitorada no osciloscópio em função da frequência do sinal senoidal ( entre 100 Hz e 100 KHz ) aplicado ao eletrodo de referência. No caso do EGFET, essas medidas serão importantes para investigar a influência da resistência e capacitância da membrana na resposta do sensor. Enquanto que, durante a fabricação de bio-sensores, essa técnica permitirá estudar a adsorção de enzimas na membrana seletiva. Finalmente, um programa de computador será desenvolvido para o controle dos equipamentos e automação das medidas. 12 Desenvolvimento de bio-sensores Existe também uma variedade de aplicações tecnológicas na área de biosensores a partir do desenvolvimento de sensores de ph. Esses bio-sensores podem ser desenvolvidos de acordo com a demanda nacional através de colaborações com outros CBPF - Batista PD, maio de

13 grupos de pesquisas ou empresas. Por exemplo, algumas ferramentas e sensores desenvolvidos durante o projeto de pesquisa podem ser transferidas para outros grupos de pesquisas com o objetivo de serem investigados como bio-sensores. Assim, os biosensores poderão ser fabricados utilizando o método enzimático para a detecção de compostos biológicos. Esses dispositivos são os denominados EnFETs (enzyme modified field effect transistor). Nesse caso, as enzimas imobilizadas nos sensores de ph participam de uma reação química onde são produzidos, por exemplo, íons de H +. O EGFET pode ser utilizado para medir a variação do ph provocada pela reação enzimática a qual será relacionada com a concentração de glicose ou uréia na solução. A alta seletividade destes bio-sensores é alcançada graças à alta seletividade inerente às enzimas imobilizadas nos sensores de ph. A sensibilidade e o tempo de resposta são algumas das características dos EnFETs que dependem de um número de fatores, por exemplo: a taxa de operação da enzima, a espessura e porosidade da membrana enzimática e etc. A otimização desses fatores é essencial para o desenvolvimento de dispositivos com características adequadas. Portanto, nessa etapa pretende-se utilizar os EGFETs em sensores de uréia e glicose. A detecção de glicose tem sido muito estudada para análise em pacientes diabéticos, onde o nível de glicose pode ser monitorado tanto in vivo, como in vitro. A quantificação de uréia é de fundamental importância para o monitoramento dos rins e de desordens associadas a estes. 13 Plano de trabalho O plano de trabalho, para a execução das etapas descritas nas secções anteriores, é ilustrado na página 16. No primeiro ano, será desenvolvido o sistema para deposição dos filmes finos e a instrumentação científica necessária para a caracterização elétrica. A partir do sexto mês, pretende-se iniciar a deposição e caracterização dos filmes finos, assim como dos primeiros EGFETs como sensores de ph. A deposição de filmes finos e o desenvolvimento ou aperfeiçoamento da instrumentação científica estará presente durante todo o período do projeto. No início do segundo ano, inicia-se a implementação da espectroscopia por impedância e o desenvolvimento de alguns circuitos eletrônicos voltadas para o desenvolvimento do protótipo. Em seguida, alguns sensores utilizando EGFETs serão fabricados. Finalmente, no terceiro ano inicia-se o desenvolvimento de bio-sensores CBPF - Batista PD, maio de

14 dividido em duas etapas. A primeira etapa consiste na imobilização de enzimas, a qual será estudada utilizando a técnica de espectroscopia por impedância desenvolvida no laboratório. Enquanto que, no último mês, o funcionamento dos bio-sensores será investigado. 14 Considerações finais Nas seções anteriores, detalhes do projeto de pesquisa foram apresentados. Em poucas palavras, espera-se que um completo sistema de medidas de ph seja desenvolvido. O sistema será composto por um EGFET, circuitos eletrônicos e software para automação de medidas. É interessante ressaltar a existência de uma demanda para os sensores de ph a partir de dispositivos por efeito de campo, desde que o ISFET vem sendo produzido por diferentes empresas internacionais. A medida de ph é uma das mais comuns em laboratórios porque muitos processos biológicos e químicos dependem do ph. Medidas de ph são essenciais durante o estudo de substancias. Tanto a solubilidade de substâncias químicas ou biológicas em solução como a velocidade de reações químicas dependem do ph. Por exemplo, o controle do ph da solução é fundamental para otimizar uma reação ou prevenir reações não desejadas. Líquidos do corpo de organismos vivos usualmente tem um valor específica de ph. Se o ph do corpo humano mudar de 0.03 unidades ou menos a funcionalidade do corpo será prejudicada. O valor do ph de lagos, rios, e oceanos são diferentes e dependem do tipo de animais e plantas que vivem nesses ambientes. O ph do solo afeta as condições de vida de plantas e são importantes na agricultura. Desde que o ph é uma medida essencial para o controle de reações químicas, o monitoramento do ph é realizado em quase todas as indústrias que utilizam água: desde água mineral e alimentação até drogas, papel, plástico, semicondutores, cimento, vidro, tecido e etc. Nos últimos dez anos, esforços têm sido direcionados ao desenvolvimento de bio-sensores para os setores acadêmicos e comerciais. Entretanto, na pesquisa nacional ainda há um número muito reduzido de produção científica, enquanto que o contínuo crescimento da tecnologia internacional pode ser verificado pelas publicações internacionais e pela fabricação de instrumentos portáteis para análises clínicas. Mas CBPF - Batista PD, maio de

15 mesmo internacionalmente, ainda existe uma grande demanda para o monitoramento de vários outros parâmetros, tais como: colesterol, lactato, uréia, creatinina, ácido úrico, hemoglobina, etc. 15 Conclusão Ao longo to texto, foi apresentado um projeto de pesquisa para o desenvolvimento tecnológico na área de dispositivos semicondutores. O desenvolvimento de um completo sistema de medidas terá aplicações tecnológica para monitoração de ph voltadas para pesquisas científicas ou em aplicações comerciais. Em poucas palavras, o sistema de medida tem como peça fundamental a estrutura do EGFET, o qual é composto por uma membrana seletiva á íons de hidrogênio conectada a um MOSFET comercial. O EGFFET vem sendo considerado uma alternativa à fabricação dos ISFETs principalmente devido ao seu baixo custo de produção. Para a fabricação das membranas, pretende-se desenvolver um sistema para deposição de filmes finos baseado na técnica denominada spray pyrolysis. Inicialmente pretende-se depositar filmes de SnO 2 e ZnO. Para a implementação desse projeto de pesquisa observa-se claramente que a instrumentação científica está presente em todas as etapas. Por exemplo, é necessária para a implementação da técnica de deposição dos filmes finos juntamente com a um sistema de medida em tempo real da espessua de filme fino, controle de temperatura e rotação do substrato, e fluxo de solução. Estará presente também durante o desenvolvimento de instrumentos científicos voltados para a caracterização elétrica dos filmes finos e dos sensores de ph propriamente dito. Por exemplo, será projetado e desenvolvido uma fonte de tensão microcontrolada programável e um sistema para medida de corrente elétrica. Além desse sistema, iniciaremos também o desenvolvimento de um sistema para a implementação da técnica de espectroscopia por impedância elétrica. Finalmente, a pesquisa científica tem como meta, o desenvolvimento de um protótipo para medidas de ph. Esse sistema consistirá em um EGFET e circuitos eletrônicos para operação do sensor. Em seguida, esses dispositivos podem ser utilizados como bio-sensores para detecção de uréia e/ou glicose. CBPF - Batista PD, maio de

16 1. Fabricação da membrana o Sistema de Deposição o Deposição de filmes finos 2. Caracterização Elétrica o Instrumentação Científica o Espectroscopia por Impedância 3. Desenvolvimento do Protótipo o Circuitos eletrônicos 4. Desenvolvimento de bio-sensores o Imobilização de membranas o Caracterização elétrica 6 meses 12 meses 18 meses 24 meses 30 meses 36 meses Plano de trabalho CBPF - Batista PD, maio de

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