Fabrication and pH response characteristics of LAPS(Light addressable potentiometric sensor) with electrolyte/$Si_3N_4/SiO_2$/Si structure

Electrolyte/$Si_3N_4/SiO_2/Si$ 구조의 LAPS 제작 및 pH 응답특성

The LAPS device of fast response and high sensitivity, based on electrochemical potential difference, and its system were fabricated for the precise measurement of pH changes and its characteristic were investigated. The electrostatic variation characteristics of LAPS according to the pH changes and parameters in the device were verified through a simulation using LAPS equivalent circuit model. The LAPS device and its system were fabricated on the basis of the result of simulation. The fabricated LAPS system showed linear sensitivity (about 56 mV/pH within the range of pH 2 to pH 11. In order to overcome the defect of general urea sensor (especially slow response time), urease immobilized nitrocellulose membrane was attached on the LAPS and resulted in the very fast response time, 0.29 mV/sec, 0.86 mV/sec at urea concentration of $50{\mu}g/ml,\; 500{\mu}g/ml$, respectively. And also in order to measure the uranyl ion, the uranyl ion selective sensing membrane with calix[6]arene derivative was used and its sensitivity was 25mV/concentration decade in the wide uranyl ion concentration range of $10^{-11}M\;to\;10^{-4}M$.

pH변화를 정밀하게 측정하기 위하여 빠른 응답특성과 높은 감도를 갖는 전기화학적 전위차를 이용한 LAPS(Light-Addressable Potentiometric Sensor) 소자 및 시스템을 제작하여 그 기초 특성을 조사하였다. 먼저 pH 변화에 따른 LAPS의 정전기적 인 변화특성 및 소자의 변수를 LAPS 등가회로 모델을 이용한 모의실험을 통해 검증하고 이러한 모의 실험을 바탕으로 하여 LAPS 소자 및 시스템을 제작하였다. 제작된 LAPS 시스템은 pH 2-11 사이에서 56 mV/pH의 선형적인 감도를 보였다. 구성된 LAPS 시스템의 다양한 응용성을 도모하기 위한 시도로서 먼저, 일반적인 urea 센서가 가지는 긴 응답시간의 단점을 극복하기 위해 nitrocellulose membrane 에 urease가 고정화된 막을 LAPS에 부착하여 측정한 결과 urease 농도 $50{\mu}g/ml,500{\mu}g/ml$에 대하여 각각 0.29mV/sec, 0.816 mV/sec의 매우빠른 응답특성을 얻을 수 있었다. 또한 환경적 측면에서 중요한 우라닐 이온의 감지를 위하여 우라늄 인식 매체를 LAPS의 감지부에 부착하고 수용액 속에 녹아 있는 우라늄 이온을 측정한 결과 $10^{-11}\~10^{-4}M$의 넓은 농도 범위에서 25mV/decade 감도를 보였다