Integration of a new sensing controller for marine pollutant monitoring using field effect devices

Abstract

The preservation of the oceans is an urgent global issue driven by increasing pollution in marine eco- systems, which negatively impacts marine life and leads to long-term ecological damage. To mitigate these effects, it is essential to develop innovative technologies that can monitor pollutants, particularly heavy metals, with greater accuracy and accessibility, overcoming the limitations of current solutions. This work is part of the SeaSenseX project and aims to develop a portable device equipped with sensors based on the CMISFET (Charge-Modulated-Ion-Sensing-Field-Effect-Transistor) architecture. This device utilizes a control electrode and a sensitive area to modulate the channel of an integrated MOS (Metal-Oxide- Semiconductor) transistor. The sensors are fabricated on flexible PEN substrates at CENIMAT|I3N and were tested using two methodologies: i) an existing semiconductor parameter analyzer in the laboratory, and ii) a PCB (Printed Circuit Board) connected to an Arduino for real-time data acquisition. Two types of MOSFETs, a commercial (CD4007UB) and one especially developed for this project (MKProt), were compared in meas- urements conducted with pH buffer solutions. Moreover, a microfluidic system was developed and tested to optimize the sensitivity of the sensors. This improvement allowed for this technology to go from a reported sensitivity of 39 ± 1 mV/pH to 54 ± 1 mV/pH, close to the theoretical maximum of approximately 59 mV/pH unit. The MKProt MOSFET, which demonstrated significant advantages in data acquisition, was utilized for measurements with mercury chloride and cadmium chloride solutions. The device successfully detected mercury concentrations ranging from 1 ppm to 15 ppm and cadmium concentrations between 1000 ppm and 3000 ppm. The recorded sensitivities for de- tecting these metals are 0.11 ± 0.01 mV/Log(ppm) for mercury and 0.41 ± 0.01 mV/ppm for cadmium, respec- tively. In addition, preliminary analyses were performed using membranes impregnated with silver nanoparti- cles (Ag-NPs) deposited on Nafion on the sensor surface. These analyses aimed to explore options for opti- mizing heavy metal detection. However, further research is necessary to assess the impact of these modifica- tions and ensure the reliability and performance of the sensors in real-world applications.

A preservação dos oceanos é uma questão global urgente devido ao aumento da poluição nos ecossiste- mas marinhos, que afeta a vida marinha e causa danos ecológicos a longo prazo. Para mitigar esses impactos, é essencial desenvolver tecnologias inovadoras para monitorar poluentes, como metais pesados, de forma mais precisa e acessível, superando as limitações das soluções atuais. Este trabalho, parte do projeto SeaSenseX, visa desenvolver um dispositivo portátil com sensores base- ados na arquitetura CMISFET (Charge-Modulated-Ion-Sensing-Field-Effect-Transistor), utilizando um elé- trodo de controlo e uma área sensível para modular o canal de um transístor MOS (Metal-Oxide-Semiconduc- tor) integrado. Esses sensores, fabricados em substratos flexíveis de PEN no CENIMAT|I3N, foram testados usando duas metodologias: i) um analisador de parâmetros de semicondutores existente em laboratório e ii) uma PCB (Printed Circuit Board) acoplada a um Arduino para aquisição de dados em tempo real. Dois MOS- FETs, um comercial (CD4007UB) e um especialmente desenvolvido para este projeto (MKProt), foram com- parados nas medições realizadas com soluções buffer de pH. Além disso, foi desenvolvido e testado um sistema de microfluídica de forma a otimizar a sensibilidade dos sensores. Esta melhoria permitiu que a sensibilidade dessa tecnologia passasse de um valor de 39 ± 1 mV/pH para 54 ± 1 mV/pH, aproximando-se do máximo teórico de aproximadamente 59 mV/pH. O MOSFET MKProt, que demonstrou vantagens na aquisição de dados, foi utilizado nas medições com soluções de cloreto de mercúrio e cloreto de cádmio. A eficácia na deteção de metais pesados foi comprovada, detetando concen- trações de mercúrio de 1 ppm a 15 ppm e de cádmio de 1000 ppm a 3000 ppm. As sensibilidades registadas para a deteção desses metais foram de 0.11 ± 0.01 mV/Log(ppm) e 0,41 ± 0,01 mV/ppm, respetivamente. Foram realizadas ainda análises preliminares com membranas impregnadas com nanopartículas de prata depositadas sobre Nafion na superfície do sensor, de forma a procurar opções para a otimização na deteção de metais pesados. Mais pesquisas são necessárias para avaliar o impacto dessas modificações e garantir a confi- abilidade e o desempenho dos sensores em aplicações do mundo real