Pablo Diniz Batista 29 de julho de 2013 batista@cbpf.br www.batistapd.com

Instrumentação para a pesquisa e o desenvolvimento de sensores de ph (EGFET) com aplicação em Medicina e Biologia Pablo Diniz Batista 29 de julho de 2013 batista@cbpf.br www.batistapd.com

Sumário 1. PARTE I 1. Dispositivos de efeito de campo 2. PARTE II 1. Módulos eletrônicos para caracterização elétrica 3. PARTE III 1. Espectroscopia por impedância elétrica

Arnold Orville Beckman 1900-2004

ph sensor, ISFET, EGFET, LAPS Itens publicado por ano País Publicações Citações h-index USA 486 10124 51 Japan 302 3611 31 Germany 271 6339 42 Taiwan 263 1680 22 China 223 2209 26 France 179 3032 27 Spain 154 1919 24 Brazil 38 403 11 Total 2857 40917 74 Citações em cada ano [01] Bergveld P, Development of an Ion-Sensitive Solid-State Device for Neurophysiological Measurements, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING,(1970). [02] Hafeman D et al, Light-Addressable Potentiometric Sensor for Biochemical Systems, Science(1988) [03] Vanderspiegel J et al, The extended gate chemically sensitive fieldeffect transistor as multi-species microprobe, Sensors and Actuators (1983). [04] Yin LT et al, Separate structure extended gate H+-ion sensitive field effect transistor on a glass substrate, Sensors and Actuators(2000).

Ion-SensitiveField EffectTransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano P. Bergveld, Thirty years of ISFETOLOGY: What happened inthepast30yearsandwhatmayhappeninthenext30 years, Sensor and Actuators B: Chemical(2003)

Ion-SensitiveField EffectTransistor P. Bergveld,Thirty years of ISFETOLOGY: What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years, Sensor and Actuators B: Chemical (2003)

Ion-SensitiveField EffectTransistor Modelo Site Binding M M M M M M M O - OH OH 2 + OH O - OH H + H + H + M O - + H + M OH 1/ k a 1/ k b M OH + + + H M OH2 2.303(pHpzc ph) β = 2q 2 Ns( kak ktc d b ) 1/ 2 = qψ kt k k a b + sinh 1 = = + [ M O][ H ] [ M OH ] + [ M OH ][ H ] + [ M ] qψ 1 ktβ = fator de sensibilidade OH 2 S S Yates DE et al, Site binding model of Electrical Double-Layer at Oxide-Water Interface, Journal of the Chemical Society-Faraday Transactions I 70: 1807-1818 1974. {Times Cited = 549} 6

Site bindingmodel Surface Potential (mv) 300 200 100 0-100 -200-300 -400 SnO 2 by Thermal Evaporation N S = 5x10 7 Ns = 5 x 10 7 Ns = 5 x 10 9 Ns = 5 x 10 11 Ns = 5 x 10 13 K a = 8x10-7 N S = 5x10 13 K b = 1.11x10-4 T = 300 K C dl = 20µF 0 2 4 6 8 10 12 ph value ß = sensitivity factor β 2 2q Ns ( kak b) β = ktc N, k, k S a Amorphous d 1/2 b SnO 2 Extended Gate Field-Effect Transistor as ph sensor Brazilian Journal of Physics - 2006 Batista P.D, Mulato M

Light-Addressable Potentiometric Itens publicado por ano Sensor Citações em cada ano

A. Poghossianet al, Field-effect devices for detecting cellular signals, Seminars in Cell & Developmental Biology (2009)

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Itens publicado por ano Citações em cada ano

Número de patentes... ISFET 332 patentes (1655 documentos) EGFET 17 patentes (94 documentos) LAPS 28 patentes (271 documentos)

Extendedgateionsensitivefield effecttransistor Study on extended gate field effect transistor with tin oxide sensing membrane Chi LL, Chou JC, Chung WY, Sun TP, Hsiung SK, Materials Chemistry and Physics 63 (2000) 19-23

Estado da arte -EGFET Ano Material Técnica Substrato ph Sensibilidade 2000 SnO 2 Sputtering Al / Vidro 2-12 50 mv/ph 2000 SnO 2 Sputtering Al / Silício 2-12 58 mv/ph 2001 ITO Sputtering Vidro 2-12 57 mv/ph 2001 TiN Sputtering Silício 2-10 57 mv/ph 2003 SnO 2 Sol-gel Silício 2-9 59 mv/ph 2004 a-bcxny Sputtering Silício 2-11 46 mv/ph 2005 SiNWs CVD Silício 2-11 58 mv/ph

ZnO como sensor de ph Transmitance (%) T = 500 o C T = 400 o C T = 300 o C T = 200 o C T = 150 o C T = 25 o C 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 WaveNumber (cm -1 ) Intensity (u.a) (100) (002) (101) (102) c) T = 300 o C Intensity (u.a) 400 300 T = 150 o C 200 100 0 4 6 8 101214161820 (110) 2θ (degree) (103) (112) d) T = 150 o C 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2θ (degrees)

FTO como sensor de ph I DS ( Volts ) 1.0 0.8 0.6 0.4 ph = 02 V REF 0.2 ph = 12 V REF = 3.0 Volts 0.0 0 1 2 3 4 V GS (Volts) 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 I DS = 2 ma S = V / ph S = (2,07-1,74) / (10-4) S = 55 mv / ph 2 4 6 8 10 12 ph FTO Batista PD et al, Polycrystalline fluorine-doped tin oxide as sensoring thin film in EGFET ph sensors, JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE(2010)

PARTE II Módulos eletrônicos para caracterização elétrica do EGFET como sensor de ph

Sistema eletrônico para caracterização elétrica de EGFET como sensores de ph Batista PD, An embedded measurement system for electrical characterization of EGFET as ph sensors, http://arxiv.org/abs/1303.3306

Sistema eletrônico para caracterização elétrica de EGFET como sensores de ph Batista PD, An embedded measurement system for electrical characterization of EGFET as ph sensors, http://arxiv.org/abs/1303.3306

Sistema eletrônico para caracterização elétrica de EGFET como sensores de ph Batista PD, An embedded measurement system for electrical characterization of EGFET as ph sensors, http://arxiv.org/abs/1303.3306

Sistema eletrônico para caracterização elétrica de EGFET como sensores de ph Batista PD, An embedded measurement system for electrical characterization of EGFET as ph sensors, http://arxiv.org/abs/1303.3306

Sistema eletrônico para caracterização elétrica de EGFET como sensores de ph Batista PD, An embedded measurement system for electrical characterization of EGFET as ph sensors, http://arxiv.org/abs/1303.3306

PARTE III Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta velocidade via barramento PCI Express

Impedância por espectroscopia elétrica

Um sistema para espectroscopia por impedância elétrica baseado em lógica programável (FPGA) Sousa F, Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta velocidade via barramento PCI Express.

Desenvolvimento dos esquemáticos e layout para placa de circuito impresso Sousa F, Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta 36 velocidade via barramento PCI Express.

Desenvolvimento do hardware Etapas: Importação de componentes. Fabricação do PCB Montagem. Testes e caracterização. Sousa F, Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta 37 velocidade via barramento PCI Express.

Desenvolvimento de programas em linguagem C/C++ Processamento de sinal Digital Diferenças de fase. Ganho de tensão. Impedância em função da frequência. Interface gráfica Sousa F, Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta 38 velocidade via barramento PCI Express.

Caracterizção elétrica do DDS e do ADC G.L.SantoseP.D.Batista,Análise do desempenho do AD9835 para a geração de um sinal senoidal. Rio de Janeiro: Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, 2013(Nóta Técnica).

Medida de ganho e diferença de fase Sousa F, Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta velocidade via barramento PCI Express.

Um sistema para espectroscopia por impedância elétrica baseado em lógica programável (FPGA) Sousa F, Lógica programável aplicada à aquisição e transmissão serial de dados em alta velocidade via barramento PCI Express.

Espectro de impedância de sistemas conhecidos

Conclusão

Conclusão (Ferramentas) Altium Desenhos de esquemas elétricos Desenhos de layouts placa de circuitos impresso Linguagem de programação C/C++ VHDL ( FPGA ) Quartus, SOPC... Desenvolvimento de Interfaces Gráficas (C/C++) Programação voltada para microcontroladores. USB, PCIExpress Driver para Windows e Linux Doutorado em Instrumentação...

Agradecimentos 1. Luiz Roberto Franco Fagundes Filho. 2. Fernando Marcio Barcellos de Sousa. 3. Leonardo José Lessa Cirto. 4. Genildo L. Santos. 5. Vitor Amadeu Souza. 6. Edgar Monteiro da Silva. 7. FAPERJ, FAPESP, DAAD 8. CBPF/CAT

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