ES2586528T3 - Procedimiento y aparato para medir la concentración de iones químicos usando un valorador controlado por retroacción - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de medición de la producción de iones en un fluido de muestra debida a una reacción química, basándose el procedimiento en la modulación sigma delta y que comprende las etapas de: exponer un sensor químico a la muestra para proporcionar una señal de salida eléctrica que representa una concentración de iones en la muestra; calcular, a partir de dicha señal de salida eléctrica, un valor de retroacción delta que representa una tasa de cambio de la concentración de iones de la muestra; proporcionar el valor de retroacción delta a un valorador expuesto a la muestra para liberar o absorber una cantidad de iones del fluido de muestra, por lo que el modulador sigma se establece por el perfil de concentración de iones del fluido de muestra, y deducir un resultado de producción de iones a partir de dicha señal de salida eléctrica.

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento y aparato para medir la concentracion de iones qmmicos usando un valorador controlado por retroaccion

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para medir la concentracion de iones qmmicos. En particular, la presente invencion puede usarse para eliminar el ruido de una senal de salida de un sensor qmmico tal como un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET, del ingles ion sensitive field effect transistor).

Antecedentes

En cualquier sistema de medicion qmmica, el ruido qmmico, tal como el ruido termico, la union y la disociacion del sitio son dominantes sobre el ruido electrico en circuitos interconectados. Ademas, estos ruidos por lo general se propagan en todo el espectro de frecuencias o se superponen con el espectro de la senal. Por tanto, no pueden eliminarse siguiendo las tecnicas de circuitos, tales como los filtros. Con un sistema de medicion de pH de tipo ISFET, el ruido qmmico debido al movimiento browniano y a la deriva, que es un ruido de oscilacion en el espectro, degrada significativamente la precision de la medicion, ya que la deriva y el ruido termico se superponen con la senal de pH que cambia lentamente.

Por tanto, con el fin de potenciar la precision de la medicion, se debe reforzar la relacion senal a ruido, ya sea potenciando la magnitud de la senal o usando un sistema de retroaccion para minimizar el ruido en el bucle abierto. Sin embargo, debido al requisito de velocidad y tamano de la tecnica Lab-on-chip (laboratorio en un chip) del estado de la tecnica, la magnitud de la senal esta restringida por la escala del sistema. Ademas, en los sistemas de deteccion en tiempo real, no es realista controlar el volumen de las muestras objetivo.

De forma adicional, es preferente que el medio qmmico se mantenga de forma estable. Esto se debe a que el agente qmmico puede necesitar una condicion qmmica particular para seguir activo y a que la precision de la medicion tambien depende de las constantes del medio, tales como el pH.

Por estas razones, es deseable un sistema de deteccion con capacidad de reduccion de ruido en los sistemas de medicion qmmica, especialmente en dispositivos portatiles o en tiempo real. Con el fin de reducir el ruido qmmico en bucle introducido principalmente por la interfaz de la superficie electrolito-solido, los inventores han desarrollado un sistema de retroaccion similar a una modulacion sigma-delta en la conversion de datos de sistemas electricos.

Bart H. Van Der Schoot y col.: "The pH-static enzyme sensor: An ISFET-based enzyme sensor, insensitive to the buffer capacity of the sample", Analytica Chimica Acta, vol. 199, 1 de enero de 1987, paginas 157-160, describe un sensor enzimatico de pH estatico de acuerdo con cual el pH se mantiene a un nivel constante.

Sumario de la invencion

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, se proporciona un procedimiento de medicion de la produccion de iones en un fluido de muestra debido a una reaccion qmmica, basandose el procedimiento en la modulacion sigma delta. El procedimiento comprende las etapas de exponer un sensor qmmico a la muestra para proporcionar una senal de salida electrica que representa una concentracion de iones en la muestra, calcular, a partir de dicha senal de salida electrica, un valor de retroaccion delta que representa una tasa de cambio de la concentracion de iones de la muestra, proporcionar el valor de retroaccion delta a un valorador expuesto a la muestra para liberar o absorber una cantidad de iones al fluido de muestra, por lo que el fluido de muestra contiene un resultado sigma, y deducir un resultado de produccion de iones a partir de dicha senal de salida electrica.

La etapa de deducir un resultado de la concentracion de iones a partir de dicha senal de salida electrica puede implicar deducir el resultado directa o indirectamente a partir de la senal de salida electrica.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un dispositivo para medir la produccion de iones en un fluido de muestra debida a una reaccion qmmica y que se configura para usar la modulacion delta sigma. El dispositivo comprende un sensor qmmico y un valorador qmmico expuestos a la muestra, en el que una senal de salida electrica del sensor qmmico que representa una concentracion de iones en la muestra se acopla al valorador con medio de retroaccion, estando el medio de retroaccion dispuesto para calcular un valor de retroaccion delta que representa una tasa de cambio de la concentracion de iones de la muestra y proporcionar dicho valor de retroaccion delta a dicho valorador, en el que, durante el funcionamiento, el fluido de muestra contiene un resultado sigma.

Aspectos preferidos adicionales se exponen en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripcion de los dibujos

Se describiran ahora realizaciones espedficas de la invencion a modo de ejemplo solo con referencia a las figuras

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adjuntas:

La Figura 1 es un diagrama de control de un sistema que incorpora la invencion;

La Figura 2 es un diagrama de control de un controlador PWM para un valorador;

La Figura 3 es un diagrama de control de un modulador sigma-delta;

La Figura 4 es un grafico de una funcion de transferencia de ruido;

La Figura 5 muestra la distribucion de ruido de salida para un sistema con entrada de ruido blanco en un (a) sistema de bucle abierto y un (b) sistema modulado;

La Figura 6 muestra la senal de salida para un sistema con entrada de ruido blanco en un (a) sistema de bucle abierto y un (b) sistema modulado;

La Figura 7 muestra la distribucion de ruido de salida para un sistema que usa un modelo de deriva en un (a) sistema de bucle abierto y un (b) sistema modulado;

La Figura 8 muestra la senal de salida para un sistema que usa un modelo de deriva;

La Figura 9 muestra una comparacion entre los moduladores Sigma-Delta tradicionales electronicos y los qmmicos;

La Figura 10 es una ilustracion de un valorador y una reaccion qmmica asociada;

La Figura 11 es un grafico que muestra la respuesta dinamica simulada de cambio de la concentracion qmmica; La Figura 12 muestra la respuesta de pH medida que corresponde a un cambio de iones de hidrogeno en etapas; La Figura 13 es un diagrama de control de un sistema preferido;

La Figura 14 es un grafico de resultados modulados por sigma-delta (SDM, del ingles sigma-delta modulated) simulados y de resultados de una medicion de bucle abierto con velocidad de reaccion constante como entrada;

La Figura 15 es una microfotograffa de un sustrato con sensores y un micro-valorador integrado;

La Figura 16 es un grafico de un esquema de control de valoracion usando una salida de potencial constante PWM;

La Figura 17 es un diagrama de circuito de un sistema preferido;

La Figura 18 es un grafico de resultados de la medicion sin cambio de pH tanto para mediciones de bucle abierto como de bucle cerrado;

La Figura 19 es un grafico de resultados de la Transferencia Rapida de Fourier de una medicion de deriva;

La Figura 20 es un grafico de senales medidas tanto para un sistema compensado como para uno sin compensar; y

La Figura 21 es un grafico de resultados medidos para la concentracion de la carga y el cambio de iones. Descripcion detallada

En un sistema que comprende la invencion, hay un fluido que tiene una concentracion de interes de un producto qmmico, un sensor para detectar el producto qmmico, un sistema de control y un mecanismo de retroaccion para cambiar la concentracion del producto qmmico del fluido. El sistema de control proporciona un filtro de conformacion de ruido para asegurar que las variaciones en la concentracion se producen a frecuencias altas en lugar de frecuencias mas bajas.

En una realizacion preferida del sistema, el fluido esta contenido dentro de un dispositivo microflmdico y una concentracion de iones es detectada por un ISFET para producir una senal de salida electrica. El sistema de control procesa la senal, compara la senal con un punto de referencia para calcular una senal de error y convierte la senal de error en una cantidad de carga. La carga se proporciona a un valorador que retroacciona esta carga como un flujo de iones en el medio qmmico para corregir el error. Se usa un procesador de PWM (modulacion de ancho de pulso, del ingles pulse width modulation) para operar el valorador y minimizar la filtracion. Se usa un potenciostato para mantener la estabilidad del potencial electrolttico.

Estructura del sistema

Un sistema de control global de una realizacion preferida se muestra en la Figura 1 que comprende:

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• Sistema de detection: sistema de detection de producto qmmico basado en un ISFET con circuito de interfaz/lectura

• Sistema de procesamiento: Un sistema de control embebido para convertir la salida del ISFET en una carga

• Procesamiento y conversion del pH en una carga. Un sistema de control de pH esta embebido para proporcionar un medio qmmico estable

• Valorador: un valorador coulometrico con esquema de control de PWM para convertir la carga electrica en iones de hidrogeno liberados en el medio qmmico.

• Potenciostato: un sistema de electrodos para mantener el potencial del medio de medicion.

• Filtro de paso bajo: Normalmente, un filtro de diezmado, para atenuar el ruido de alta frecuencia inducido por este sistema.

• Medio de medicion: el medio qmmico donde se produce la reaction y al que se expone el ISFET.

El sistema de deteccion usa un sensor de ISFET con un circuito prolongador del drenaje de la fuente convencional. La tension umbral del sensor se modula por la concentration de iones de hidrogeno. El prolongador del drenaje de la fuente polariza el transistor y controla la fuente como la salida.

En la Figura 1, el resultado de la concentracion de iones se obtiene de la salida del filtro de paso bajo. Sin embargo, se apreciara que el resultado puede obtenerse a partir de senales presentes en otros puntos del sistema, por ejemplo directamente a partir de la salida del ISFET o a partir de un punto en el bucle de retroaction.

El sistema de procesamiento del pH incluye la conversion del pH en carga y el control del pH. Este sistema calcula la cantidad de carga que se necesita para alcanzar un valor de pH prefijado a partir de los resultados medidos de pH. Esta conversion es calculada por un circuito integrado o un Pc externo o controlador electronico, de acuerdo con coeficientes de difusion qmmica conocidos y el volumen de la camara de reaccion.

El sistema valorador puede comprender: un electrodo de metal noble tal como platino, que genera iones de hidrogeno proporcionando una carga al electrolito; un contra-electrodo, que forma parte del potenciostato, para equilibrar la carga en un medio de ensayo y generar OH (hidroxido); y un controlador de PWM Sigma Delta para conmutar el valorador entre 3 niveles, con el fin de minimizar el error, reducir la filtracion y realizar la operation en chip.

En una realization preferida, se usa un potenciostato para contrarrestar el cambio de potencial debido a la tension del valorador y modular el potencial de tension del electrolito por un valor ajustado externamente. Consiste en tres electrodos, un electrodo de trabajo, un contra-electrodo y un electrodo de referencia.

Un filtro de paso bajo antes de la salida de la medicion de este sistema atenua el ruido de alta frecuencia introducido por el controlador de PWM y el sobremuestreo. Este puede ser un filtro de diezmado digital o un filtro de paso bajo analogico.

El medio de medicion es donde puede producirse una reaccion qmmica, produciendo un tipo dado de iones, iones que son detectados por el sensor qmmico. Este medio es normalmente una camara microflmdica o bien es proporcionado por la superficie del sensor. La carga ionica generada tanto por la reaccion qmmica como por el valorador se integrara en una concentracion ionica que es medida por el sensor.

La carga total necesaria para mantener un valor de pH constante esta dada por:

Centrada ~ ( pHfljad~ malid„ ) X V + Cp ( 1 )

Donde Centrada es la carga de entrada necesaria para la retroaccion, pHfijado es el valor de pH de destino predeterminado y pHmedido es el valor de pH medido por los ISFET, V es el volumen eficaz y CD es la correction por el efecto de difusion.

Control de PWM del valorador

El esquema de control de PWM tambien se realiza por un modulador sigma-delta, como se ilustra en la Figura 2. La corriente que pasa a traves del electrodo valorador se mide y se integra como la carga total inyectada en el sistema qmmico. Esta cantidad se compara con la carga requerida calculada por el sistema de conversion de pH-carga. El resultado de la comparacion determinara el nivel de potencial del valorador. Por tanto, el potencial del valorador se fijara en la tension de suministro maxima cuando la carga requerida sea positiva y para en la tension de suministro minima cuando la carga requerida sea negativa.

Modulacion Sigma-Delta

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La Figura 3 muestra una estructura de sistema de modulacion Sigma-Delta. Los resultados de las mediciones se retroaccion usando retroaccion negativa, un integrador acumula la diferencia entre la entrada y la salida de la retroaccion.

Considerando un modulador basado en muestras, tenemos:

0(ri) = I(n-l) + n{n)-n{n-l) (2)

Donde O(n) es la salida del estado actual, l(n-1) es la entrada del ultimo estado, n(n) es el ruido del estado actual. Indica que el ruido se ha diferenciado sin ninguna reduccion de la entrada. De este modo, la relacion senal a ruido se potencia.

En un sistema de medicion qmmica, se anade ruido al medio qmmico. Mediante el uso de un sistema de retroaccion, el ruido qmmico anadido en el bucle abierto puede diferenciarse.

La difusion de los iones de hidrogeno se reemplaza por un integrador, de acuerdo con:

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En realizaciones preferidas, la tasa de muestreo de medicion es de 1k Hz y la frecuencia de PWM a 100k Hz.

La Figura 4 muestra la funcion de transferencia de ruido en este sistema de deteccion, muestra que mediante el uso de este sistema, el ruido de baja frecuencia puede atenuarse de forma espectacular.

La Figura 5 y la 6 muestran la salida del sistema con ruido blanco anadido en un sistema de bucle abierto (arriba) frente a una realizacion de circuito cerrado (abajo). Esto demuestra que el nivel de ruido de salida se reduce en un orden de magnitud.

La Figura 7 y la 8 muestran la salida del sistema con deriva de senal anadida en el bucle abierto (arriba). El efecto de deriva se cancela por la retroaccion (abajo), debido a la atenuacion del componente de baja frecuencia. La deriva, que era de 0,05 mV durante 8000 segundos, casi se eliminado y la salida solo contiene ruido aleatorio. Despues de cada intervalo de control, la diferencia entre un punto de referencia (en terminos de senal de pH o de tension) y la salida del sensor qmmico se retroacciona al electrolito a traves del valorador, que compensa el sistema para el ruido de la deriva lenta.

Caractensticas de las realizaciones preferidas:

1. Deteccion de bucle cerrado:

La deteccion se completa con un sistema de deteccion-modulacion, en lugar de la medicion de bucle abierto convencional. Las senales qmmicas se detectan y se retroaccionan en el medio qmmico para modular la medicion, con el fin de obtener resultados precisos.

2. Modulacion Sigma Delta del sistema qmmico

Debido al valorador de retroaccion y a la funcion de transferencia del electrolito, la senal se integra a lo largo de todo el sistema y se diferencia cualquier ruido anadido en el sistema de medicion de bucle abierto. Esta funcion se completa con una modulacion Sigma-Delta.

3. Sistema de retroaccion tnbrido

Los sistemas de retroaccion normales en el sistema de medicion qmmica solo se ocupan de la senal electrica. En el presente sistema, la senal electrica se transformara en una variable qmmica y parte del sistema de retroaccion. En el presente documento, el efecto de difusion y acumulacion de iones qmmicos, actua como un filtro de paso bajo o integrador para atenuar el ruido.

Detalles adicionales de realizaciones y resultados preferidos son como se indican a continuacion.

La SDM qmmica propuesta tiene una estructura similar a una SDM electronica convencional: el integrador electronico ideal o el filtro de paso bajo en bucle (LPF, del ingles low pass filter) se reemplaza por el integrador qmmico, que es esencialmente la funcion de transferencia qmmica intrmseca debida a la difusion y la acumulacion de iones; la retroaccion negativa electronica se realiza mediante un valorador; el cuantificador digital se reemplaza por los sensores qmmicos, por ejemplo, los ISFET. Por tanto, el modulador Delta (diferenciador) se establece por la retroaccion de los iones qmmicos y el modulador Sigma se establece por el perfil de concentracion de iones.

Teniendo en cuenta un modulador de primer orden simple con entrada de iones qmmicos constantes, se puede tener la concentracion de salida qmmica dada por:

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Donde la J es la entrada de flujo de iones que reemplaza la entrada de tension electronica, la D es el ruido qmmico que reemplaza la cuantificacion o ruido electronico, n es el mdice de muestreo.

Hay dos ventajas de esta implementacion mostrada en la Ec. (4): la senal se refuerza por sobremuestreo. De hecho, debido a la propiedad qmmica intrmseca, proporciona refuerzo adicional para la medicion de pH. La sumatoria del cambio de pH proporciona un efecto multiplicador para el cambio de la concentracion de iones total; segundo, la conformacion del ruido puede conseguirse simplemente por sobremuestreo de la senal qmmica. Este sistema comprende un LPF para el cambio de pH y un HpF (del ingles High Pass Filter, filtro de paso alto) para la deriva y el ruido de la circuitena. La reaccion qmmica es esencialmente una senal de cambio lento, mientras que el ruido en- banda es principalmente la deriva qmmica, por tanto, con el sobremuestreo, la deriva se diferenciara sin atenuar la senal qmmica.

Tambien hay que senalar que en comparacion con la medida de bucle abierto convencional, se mide la tasa de cambio qmmico por muestra en lugar del valor de pH absoluto a traves de toda la medicion. En lugar de una medicion de dos puntos, este sistema puede rastrear la velocidad de reaccion con un ruido de baja frecuencia minimizado. Esto tambien proporciona la otra ventaja para los experimentos a partir de pH 7, porque en cualquier medio de pH alto o bajo, un cambio ionico constante proporcionara una variacion de pH mas pequena, que podna no ser detectable a partir de una medicion de bucle abierto con alto nivel de ruido.

B. Retroaccion de valoracion continua. La retroaccion negativa de una senal qmmica se realiza por un sistema de valoracion. El valorador para los ISFET se ha usado para la determinacion en bucle abierto del valor de pH por polarizacion de corriente constante, donde el tiempo transcurrido se registro como una indicacion de la valoracion. Sin embargo, para conseguir el control de retroaccion dinamica, se requiere una valoracion basada en la carga para entregar la cantidad senalada de iones al medio qmmico durante cada una de las ventanas de tiempo de valoracion. La Figura 10 ilustra el sistema de tres electrodos con una fuente de carga ajustable que entrega de los iones necesarios. Los iones de hidrogeno o hidroxilo de retroaccion son generados por el electrodo del valorador (es decir, el electrodo de trabajo (ET, del ingles working electrode)), mientras que los iones hidroxilo o hidrogeno se generan en el contra-electrodo (CE) para mantener el equilibrio de carga. Por tanto, este sistema dinamico tiene un efecto insignificante en la concentracion aparente de iones. El electrodo de referencia proporciona un potencial constante en el electrolito, que es esencial para la polarizacion de los sensores qmmicos.

C. Integrador qmmico.

La parte central del sistema propuesto es la realizacion de un integrador qmmico para los iones de hidrogeno. Mediante el examen del mecanismo de difusion y de valoracion del medio qmmico, puede obtenerse la integracion a partir del comportamiento de difusion/acumulacion intrmseco. Teniendo en cuenta solo el efecto de difusion, el cambio de concentracion de origen, donde se inicia el flujo de iones puede derivarse como:

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donde DR es el coeficiente de difusion del ion, f(i) es el flujo constante generado ya sea por el medio externo en masa o por valoracion. Puede encontrarse que la difusion de iones qmmicos proporciona por sf misma un "integrador qmmico" intrmseco. Como alternativa, para modelar adicionalmente la interfaz qmmica, se presume que la distribucion de concentraciones es coherente a lo largo de la direccion radial, se puede tener una ley de Fischer de segundo orden de una dimension por una ecuacion derivada parcial de una sola dimension, dada por:

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donde la r representa la escala del radio y 'es el campo electrico.

Se uso el conjunto de herramientas MATLAB ODE para resolver esta ecuacion mediante el uso de una corriente de valoracion constante (flujo qmmico), que se muestra en la Fig. 11 con X como la distancia desde el origen, Y como el tiempo transcurrido, Z como el valor de la concentracion, se puede encontrar que la concentracion qmmica aumenta casi linealmente de acuerdo con una senal de etapa. Este comportamiento demuestra la existencia de un

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comportamiento de tipo integrador en la interfaz qmmica.

La respuesta de etapa y pulso de este integrador qmmico se demostro adicionalmente por la medicion en un sensor qmmico con entrada de valoracion espedfica, que se muestra en la Fig. 12. Se usa un ISFET CMOS como sensor de pH, mientras que el electrodo de oro depositado genera la entrada qmmica con una senal de etapa. Con una senal de etapa de corriente constante de 1 uA, el pH disminuyo de pH 6,9 a 6,4 que corresponde al cambio de concentracion de ion hidrogeno de 1,05e-7 M/l a 1,4e-7 M/l. Puede encontrarse que la respuesta de etapa medida de este sistema muestra un comportamiento de tipo integrador con un pequeno desfase. Debe apreciarse que la impedancia faradica no es despreciable. Teniendo en cuenta una senal de etapa de corriente de 1 uA, la impedancia Faradica introducira una subida de potencial de 5 mV, lo que puede provocar un error de la salida de los ISFET. Esto requiere un esquema de compensacion o una configuracion de medicion adicional para minimizar este efecto, que se detallara a continuacion.

D. Modelado y simulacion del sistema.

Todo el sistema se muestra en la Fig. 13. Este sistema tnbrido tiene tanto la parte qmmica como una parte electronica como componentes activos, es decir, Moduladores Sigma y Delta. Se requiere un polarizador o potenciostato de referencia para mantener la polarizacion constante para el ISFET. Este sistema se modela en SIMULINK y se simula usando la senal de cambio de etapa constante (1e-10 M/l por segundo) como entrada. Una deriva/ruido de frecuencia baja se introduce desde el modelo para imitar el medio de medicion real. Los resultados de mediciones tanto de bucle abierto como basados en SDM se simulan con una deriva de 10 mV/h. La tasa de muestreo para la senal de bucle abierto es de 1 Hz, el SDM opera a 0,01 Hz. Ambas salidas del transductor se alimentan a un cuarto filtro IIR de paso bajo para atenuar el ruido de alta frecuencia.

La Figura 14 muestra los resultados simulados de un sistema tanto de bucle abierto como SDM: La lmea con diamantes indica el cambio pH ideal provocado por el cambio de iones hidrogeno (lmeas de puntos), la lmea con drculos es los resultados de la medicion de bucle abierto y la lmea continua es los resultados de SDM. Lo que se encuentra en la medicion de bucle abierto es que la deriva puede ser equivalente a la senal de entrada qmmica, proporcionando una senal negativa a la relacion de ruido. Debe apreciarse que aunque la deriva en la simulacion parece predecible, se encuentra que la deriva es variable en un intervalo de 10 mV dependiendo de la concentracion qmmica, la propiedad del sensor y el medio experimental y la SNR real no es completamente predecible. Por tanto, los resultados de bucle abierto medidos apenas pueden proporcionar informacion util.

Para la medicion de bucle cerrado, la senal de entrada se rastrea mediante una respuesta de salida escalonada, que corresponde a cada etapa de cambio ionico. Dado que la SDM opera a una tasa de muestreo baja, la senal qmmica se estimula desde 0,0005 pH/etapa a 0,05 pH/etapa, esto puede potenciarse adicionalmente mediante disminuyendo la tasa de muestreo. Ademas, la deriva y el ruido de baja frecuencia, que es dominante en la medicion de bucle abierto, se diferencian, proporcionando un aumento significativo de la sNr. Aunque el ruido residual o los picos de alto espectro no pueden atenuarse totalmente, tiene un efecto minimizado en la senal qmmica de baja frecuencia.

La medicion y la retroaccion se repiten a intervalos regulares. Para muchos sistemas y reacciones que se controlan, un intervalo del orden de unos pocos segundos es suficiente y permite hacer un promedio de las mediciones y valoraciones. El intervalo es preferentemente de menos de 20 segundos, menos de 10 segundos o menos de 6 segundos.

III. IMPLEMENTACION DEL SISTEMA

Un sistema que incorpora la invencion se implementa usando ISFET y una circuitena externa de lectura y procesamiento. Ademas, para minimizar los efectos no ideales tales como el potencial inducido por la impedancia faradica, se han disenado algunas etapas de procesamiento e implementaciones de circuitos adicionales, que se detallan a continuacion.

A. Sensor y valorador

Para probar el sistema propuesto, se usaron dispositivos ISFET tanto CMOS como hechos por encargo como transductores qmmicos. Los ISFET Sentron hechos por encargo normalmente derivan aproximadamente 1-2 mV/h, mientras que los ISFET basados en CMOS tienen una deriva del orden de 10 mV/h.

Se usaron dos valoradores integrados con oro depositado y electrodos de platino individuales en los siguientes experimentos, con una corriente maxima de valoracion de 100 uA. La Figura 15 ilustra los ISFET CMOS con un valorador de oro integrado. Debe apreciarse que solo se uso el ISFET del medio de la Figura 15 como dispositivo de medida para proporcionar una respuesta de retroaccion estable.

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B. Control de valoracion

Con el fin de entregar una cantidad espedfica de iones en el electrolito dentro de una ventana de tiempo corta, el valorador debe ser impulsado por una fuente de corriente controlada, sin embargo, con un potencial que vane debido al cambio de interfaz de electrolito. Esto no es realista en algunas mediciones sensibles al campo electrico, ademas la ca^da de potencial adicional inducida por impulsos de corriente puede introducir un error de medicion, que podna provocar la inestabilidad del sistema. Por tanto, puede usarse un sistema de entrega de carga basado en PWM como se muestra en la Figura 16.

Una fuente de tension constante (Tsalida) polariza el par de electrodos de trabajo/contra-electrodo en una polaridad designada; la corriente que fluye a traves de los electrodos de trabajo se mide y se integra para proporcionar la carga total en un penodo determinado. Para cada periodo de muestreo-retroaccion, hay una etapa de valoracion y la etapa de reposo. En la etapa de reposo, todos los electrodos se ajustan a tierra o flotantes, para establecer un potencial de electrolitos constante. Despues de un cierto tiempo de fijacion, se toman las lecturas de los ISFET y la carga de retroaccion se calcula como referencia para la siguiente etapa (lmea con diamantes) basada en el nivel de salida inicial del sensor qmmico. La etapa de valoracion se divide en pequenos fragmentos, en cada fragmento, la tension en el ET o el CE se polariza con la fuente de tension, dependiendo de si los iones de hidrogeno o los iones hidroxilo se requieren en el sitio de deteccion. Las tensiones tanto en el ET como en el CE se mantienen constantes hasta que se consigue la cantidad de carga objetivo. Esta configuracion asegura que la carga de retroaccion pueda entregarse, mientras que el potencial inducido por la tension de valoracion tiene una influencia insignificante sobre la polarizacion del sensor y el muestreo.

C. Instrumentacion

La circuitena de medicion y retroaccion se ilustra en la Figura 17. Los ISFET se polarizan usando un prolongador de la fuente de drenaje, con un electrodo de referencia conectado a tierra que proporciona una tension de puerta distante constante. Por tanto, el potencial inducido qmmicamente modulara la tension de puerta real y la tension de la fuente rastreara este cambio manteniendo una VGS constante.

La medicion de carga se compone de la circuitena de deteccion de corriente y el integrador. La corriente fluye a traves del ET y el CE induce el cambio de tension en el resistor de deteccion, que se amplifica por el amplificador de instrumentacion. El integrador calcula la entrega de carga total durante cada periodo.

El calculo del control de la retroaccion y de la carga se realiza en un sistema Labview externo. Los resultados medidos se alimentan a traves de un LPF IIR de tercer orden para atenuar el ruido termico y de PWM en banda ancha. Los resultados filtrados se convierten en cambio de carga, proporcionando la retroaccion. La carga de retroaccion se compara con la carga de valoracion medida durante la etapa de valoracion, se genera una senal de apagado cuando el comparador cambia el signo.

IV. RESULTADOS DEL EXPERIMENTO

Para probar la funcion de conformacion de ruido del sistema propuesto y simplificar la medicion, se disenaron dos tipos de experimentos, la entrada cero y la entrada constante. Todos los experimentos se realizaron en una jaula de Faraday cerrada blindada del ruido ambiental y la temperatura del electrolito se mantuvo a 27 °C. Para lograr un efecto de medicion y atenuacion constante, se mantuvo la tasa de muestreo a 0,2 Hz, mientras que la frecuencia de PWM fue de 100 Hz. El desfase del sistema de instrumentacion se midio y se elimino de los siguientes experimentos para minimizar la falta de coincidencia de la medicion.

A. Entrada cero

En experimentos de entrada cero, la concentracion de iones, es decir, el pH del electrolito, se mantuvo constante. Se uso KCI 1°mM/l con tampon de fosfato 100 M/l como electrolito, proporcionando un pH constante de 6,7. Los resultados medidos de los ISFET CMOS se muestran en la Figura 18, con un sensor identico como referencia. Puede encontrarse una gran desviacion para los sensores sin compensar en el intervalo de 30-60 mV/h. Los sensores compensados con control de retroaccion mostraron una salida constante con ruido similar a picos debido al cambio de potencial inducido por la conmutacion y el control de PWM, lo cual es coherente con el modelado. El valor de deriva del sistema propuesto en los experimentos de entrada cero mostro un valor constante de 0,1 mV/h a traves de mas de 10 experimentos.

El espectro de frecuencias de los resultados medidos se obtuvo realizando FFT en datos de dominio de tiempo, como se muestra en la Figura 19. La potencia del ruido de los ISFET medida dentro del ancho de banda estaban en el orden de 10 3 V = p Hz, presentando un patron 1/f. Debido a la variacion del sensor y de la preparacion experimental, la potencia del ruido puede variar en un amplio intervalo (ref 1 y ref 2), lo que proporciona una deriva impredecible de aproximadamente decenas de milivoltios. Para los resultados de SDM, la potencia del ruido de baja frecuencia se atenuo drasticamente con una potencia de ruido integrado del orden de 1 e-5 V = p Hz y tambien mostro una conformacion de ruido de primer orden segun se simulo, que se muestra por la lmea discontinua en la Figura 19.

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B. Reaccion qmmica

Para generar una senal de entrada constante para la SDM, se uso la siguiente reaccion simple para imitar una entrada de etapa:

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La velocidad de reaccion puede controlarse por el tampon de fosfato o la concentracion de iones de magnesio en un medio alcalino. Primero se realizaron varios ensayos de referencia usando una sonda de pH convencional. Se encontro que la tasa de cambio de pH variaba de 2 pH/h a 0,2 pH/h con diferente cantidad de tampon fosfato y KCI. Por tanto, con el fin de generar una senal de entrada diferente, se usaron diferentes concentraciones de tampon de fosfato de 0,1 M/l a 100 M/l y una concentracion de iones de magnesio que variaba de 1 uM/l a 100 uM/l.

Durante los ensayos, se anadieron los compuestos qmmico senalados al electrolito, que despues de la agitacion se asentaron a un pH inicial medido mediante la sonda de pH METTLER TOLEDO. Despues de eso, se hizo un control continuo de los electrodos y los sensores de medicion. Despues de las lecturas de pH del sensor de referencia cayeron por debajo de pH8, la medicion se detuvo y se midio un punto final de pH usando la misma sonda de pH. Despues de cada experimento, el pH medido con la sonda de pH se comparo con el ensayo de referencia sin ningun sensor para validar un cambio de pH constante. Un ejemplo de los resultados de medicion sin penodo de asentamiento/agitacion se muestra en la Figura 20.

Muestra claramente que cuando no habfa un cambio de pH, el esquema de deteccion propuesto rastreaba el cambio de pH y generaba una salida de tension constante correspondiente a la tasa de cambio ionico constante. Debe apreciarse que hubo una ligera disminucion en la medicion de la etapa final, lo que ademas demuestra que el cambio ionico por muestra es lo que se habfa medido en lugar del cambio de pH, ya que el cambio de pH constante es equivalente a un cambio exponencial en la concentracion de carga. En comparacion con el sensor de referencia, los resultados de medicion de los sensores de SDM muestran una deriva de baja magnitud, cuando la medicion es en bucle abierto, la deriva sigue una caractenstica exponencial, que vana aproximadamente varios milivoltios.

Se han realizado diferentes experimentos con diversas tasas de cambio ionico. Las tasas de cambio de carga se integran para proporcionar el cambio de carga total, que se compara con los resultados calculados a partir del cambio de concentracion medido mediante la sonda de pH. Estos valores de cambio de pH tambien se verifican mediante la medicion preliminar sin sensores. Los resultados se muestran en la Figura 21, con X como el cambio de carga calculado e Y es los resultados medidos. El error de medicion calculado estaba en el intervalo del 15 %. Las posibles razones de este error se deben a la falta de coincidencia de los circuitos de instrumentacion, los errores de difusion ionica y la diferencia de concentracion localizada. Sin embargo, tomando el sensor de referencia en la Figura 20 como ejemplo, un cambio de pH total de 0,25 inducira 0,012 V en la salida del sensor. Esto proporcionara la SNR maxima en una hora que vana de 10,8 dB a 3,8 dB para los ISFET Sentron, de 3 dB a -2 dB para los ISFET CMOS, mientras que el sistema de medicion propuesto puede mantener este valor en al menos 8 dB en funcion de los resultados de la medicion y se estimula adicionalmente con sobremuestreo. Ademas, es importante destacar que la relacion senal a ruido calculada para el sistema de bucle abierto supone un patron de deriva predefinido calculado basandose en un promedio de los resultados experimentales proporcionando, por tanto, una senal qmmica de cambio lento a largo plazo. Es diffcil definir la relacion senal a ruido real y detectar cualquier cambio qmmico mas pequeno que el valor de deriva promedio. Tambien debe apreciarse que la falta de coincidencia de la circuitena de instrumentacion puede reducirse adicionalmente mediante el uso de un amplificador seccionador. Tambien estos errores son mas predecibles en comparacion con la deriva qmmica y pueden restarse facilmente usando post- procesamiento.

Claims (14)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento de medicion de la produccion de iones en un fluido de muestra debida a una reaccion qmmica, basandose el procedimiento en la modulacion sigma delta y que comprende las etapas de:

   exponer un sensor qmmico a la muestra para proporcionar una senal de salida electrica que representa una concentracion de iones en la muestra;

   calcular, a partir de dicha senal de salida electrica, un valor de retroaccion delta que representa una tasa de cambio de la concentracion de iones de la muestra;

   proporcionar el valor de retroaccion delta a un valorador expuesto a la muestra para liberar o absorber una cantidad de iones del fluido de muestra, por lo que el modulador sigma se establece por el perfil de concentracion de iones del fluido de muestra, y

   deducir un resultado de produccion de iones a partir de dicha senal de salida electrica.
2. 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que las etapas del procedimiento se repiten a intervalos regulares, siendo dichos intervalos preferentemente de menos de 20 segundos, menos de 10 segundos o menos de 6 segundos.
3. 3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que la cantidad de iones a ser liberada o absorbida se calcula para mantener una concentracion sustancialmente constante de dichos iones.
4. 4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, 2 o 3, en el que la muestra experimenta una reaccion que libera o absorbe dicho ion.
5. 5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende adicionalmente proporcionar una senal de medicion de pH acoplada al sensor qmmico, preferentemente a traves de un filtro de paso bajo.
6. 6. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de calcular un valor de retroaccion comprende sobremuestrear la senal de salida electrica que representa una concentracion de iones con el fin de proporcionar la conformacion de ruido.
7. 7. Un dispositivo para medir la produccion de iones en un fluido de muestra debida a una reaccion qmmica y que se configura para usar la modulacion delta sigma, comprendiendo el dispositivo un sensor qmmico y un valorador qmmico expuestos a la muestra, en el que una senal de salida electrica del sensor qmmico que representa una concentracion de iones en la muestra se acopla al valorador con medio de retroaccion, estando el medio de retroaccion dispuesto para calcular un valor de retroaccion delta que representa una tasa de cambio de la concentracion de iones de la muestra y proporcionar dicho valor de retroaccion delta a dicho valorador, en el que, durante su uso, el fluido de muestra contiene un resultado sigma.
8. 8. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 7, que comprende adicionalmente un electrodo de referencia expuesto al fluido de muestra.
9. 9. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 7 u 8, en el que dicho valorador qmmico comprende un metal noble, preferentemente platino, oro o plata.
10. 10. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el medio de retroaccion comprende un filtro, preferentemente un filtro de paso bajo.
11. 11. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, que comprende adicionalmente un controlador de Modulacion de Ancho de Pulso (PWM) acoplado al valorador, recibiendo el controlador el valor de retroaccion delta como senal a ser modulada.
12. 12. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que dicho controlador de PWM opera en modo delta para valorar la cantidad necesaria de iones.
13. 13. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, que comprende adicionalmente un medio para calcular la carga total proporcionada al valorador.
14. 14. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, en el que el sensor qmmico es un transistor de efecto de campo sensible a iones.