Chemické senzory. Principy senzorů Elektrochemické senzory Gravimetrické senzory Teplotní senzory Optické senzory Fluorescenční senzory

Chemické senzory ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Principy senzorů Elektrochemické senzory Gravimetrické senzory Teplotní senzory Optické senzory Fluorescenční senzory Chemické senzory

elektrochemické

gravimetrické

teplotní

fluorescenční

optické

Elektrochemické senzory Impedanční senzory

ƒ ƒ ƒ

Konduktometrické (odporové) chemosenzory Impedimetrické senzory

Potenciometrické a pH senzory

ƒ ƒ ƒ

Amperometrické senzory Voltametrické senzory

Polarografické senzory Iontově selektivní senzory

ƒ ƒ ƒ

ISFET senzory

Elektrochemické senzory ƒ roztok v pevné nebo kapalné fázi ƒ substrát (Si, korund, ZnO, aj.) ƒ 2 až 4 elektrody z Pt nebo Au vytvořené na substrátu (polarizovatelné elektrody, oxidace/redukce probíhá pouze za výměny elektronů) ƒ krycí vrstva ⇒ izolace ostatních částí senzoru pro kontakt s vnějším prostředím

kapka roztoku

převodník z pevné fáze

krycí vrstva

přívody Pt nebo Au elektrody izolační vrstva substrát

Impedanční senzory ƒ Senzor využívá stejnosměrné nebo střídavé metody měření ƒ DC – lze stanovit pouze R ⇒Konduktometrické (odporové) chemosenzory ƒ AC – lze stanovit až 4 parametry (reálnou, imaginární část, modul a fázi) ⇒ Impedimetrické senzory

Konduktometrické chemosenzory ƒ vychází z rozměru chemického článku d κ = G = G ⋅ K CELL S

⇒ měrná vodivost v [S/cm] ƒ vypočítat koncentraci dané látky v roztoku C=

κ κ = λ λ+ + λ−

ƒ oxidace a redukce

Ox + e

−

⎯ ⎯→ ← ⎯⎯

Re

Planární elektrody ƒ ƒ ƒ ƒ

standardní skleněné elektrody (ideální) planarizace → parazitní chování sférický či hemisférický průběh proudu κ real K real stanovení korekce α= = K CELL

κ meas

není konstantní → f(c)

ƒ A

vodivostní nádobka analyzovaný roztok vodivostní elektrody

B

C

Planární elektrody ƒ Konstrukce senzorů v TLV (pro roztoky a plyny) ƒ Korundový substrát ƒ Pt nebo Au electrody ƒ Krycí dielektrická vrstva (pro roztoky) ƒ Aktivní vrstva (pro plyny) b) Top 10 mm

10 mm

WO3 active layer Au electrodes

c) Bottom TCR meander Pt heating resistance a)

Bonding pads

Senzory plynů - realizace ƒ Scimarec typ AF – 20 určený pro detekci úniku plynů

Postup výroby senzoru plynů ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

z SnCl4 sol-gel procesem → nanokrystalický SnO2 důkladné proprání, kalcinace za zvýšené teploty dopování (např. Pd, Pt, ...) ⇒ impregnací v roztoku kovových chloridů (např. PdCl2, H2[PtCl6], …) tepelné zpracování ⇒ redukce chloridů na Pd a Pt, odstraní chlór prášek + organický nosič → homogenní tisknutelná pasta sítotisk na korundový substrát opatřený elektrodami Pt vyhřívací rezistor na horní (vespod vícevrstvého senzoru) nebo spodní straně substrátu závěrečné žíhání ⇒ odstranění organické složky kalibrace pomocí plynové směšovací stanice

Postup výroby senzoru plynů

Impedimetrické senzory ƒ půlkruhová charakteristika impedance v komplexní rovině ƒ liší se podle typu roztoku a materiálu ƒ model impedance elektrody Z ( jω ) = R ROZTOK +

1 || RCT + σω −1 / 2 + jσω −1 / 2 jωC DL Kovl

Referenční Elektroda

CDL

RROZTOK

RCT

W

Elektrolyt (kapalný roztok)

Plyn v acetylacetonátu cínu

Kapacitní senzor plynů ƒ polymerní aktivní senzor – polyetherurethan ƒ detekce ethanolu

Odporový senzor vlhkosti ƒ kopolymer z ionizovaného monomerního NaSS (sodík styren sulfonát) + neionizovaný monomer HEMA (hydroxyetyl metakrylát) ƒ lineární závislost na relativní vlhkosti (25°C) ƒ 0.5 až 0.6 %RH /°C v rozsahu 10 až 50°C ƒ Pro 90% relativní vlhkost – čas odezvy 3 až 4 minuty

Potenciometrické a pH senzory ƒ Založeno na zjišťování potenciálu fázového rozhraní ƒ Potenciály mezi kovem a roztokem (kapalným, pevným) vůči ref. elektrodě ƒ Nejužívanější jsou Amperometrické senzory

Amperometrické senzory ƒ ƒ ƒ ƒ

C, Hg, Pt, Au – polarizovatelné elektrody Ag/AgCl pevných elektrolytů na bázi Zr nebo polymerů lineární proudové iontově – koncentrační charakteristiky

ƒ NAFION – pevný polymerní elektrolyt pro detekci NO

Potenciostat ƒ konstantního potenciálový rozdíl mezi pracovní a pomocnou elektrodou (závisí na proudu – polarizace elektrody) ƒ použití potenciostatu a referenční elektrody

Polarografické senzory ƒ Polarografie – J. Heyrovský 1925, Nobelova cena 1959 ƒ Elektrochemická metoda analýzy roztoků založená zkoumání polarizačních napětí speciální elektrody. ƒ sleduje se V-A křivka, tzv. polarografická křivka určuje potenciál eletrodové reakce ƒ elektroda – kapková Hg, proudící Hg, Pt, rotační Pt apod. ƒ pro kvalitativní analýzu – těžké kovy apod.

Polarografie

2

I [A]

1

U1/2

1. přítomnost látky způsobující polarizaci 2. základní elektrolyt 0

1

2

U[V]

Iontově selektivní senzory koncentrace iontů v roztoku lze stanovit z potenciálového rozdílu dvou elektrod 1. elektroda s elektroaktivním materiálem → citlivost na příslušné ionty 2. elektroda Ag/AgCl – referenční 2.303RT ∆V = log Ci ƒ Nernstův vztah Zi F ƒ uhlíkové polymerní pasty ƒ potenciometrické IS membrány → imobilizace enzymů na bázi polyvinyl acetátu (polymer – zajišťuje mechanickou podporu + ionofor nebo jiná elektroaktivní složka) ƒ detekce toxických látek ƒ

Iontově selektivní senzory ƒ Membrány obsahují ƒ vnitřní referenční elektrolyt ƒ pevně kontaktovány přímo na povrch elektrody

ƒ iontově selektivní senzory pro Li, Na, K, amoniak ƒ biosenzory pro glukózu, sacharózu aj. ƒ vysoké výstupní impedanci ⇒ impedanční měniče

ISFET senzory Iontově citlivý FET gate MOS struktury je nahrazen iontově citlivou vrstvou, která ovlivňuje pole tranzistoru → řídí proud drain-source ƒ vrstva SiO2 je zesílena + tenká vrstva nitridu ƒ ƒ

ƒ PVA (polyvinylalkohol)

ISFET SiO2/Si3N4/PVA – citlivá vrstva na H+ ionty pro měření pH – urea senzor Ti/Au pseudo-elektroda (referenční) – vznik pole Citlivost senzoru = 40 mV/pH měření odezvy jednoduchým přístrojovým zesilovačem ƒ výstupního napětí ⇐ rozdíl (V+ – V-) a pH ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

ƒ SMT – polovodičový ISFET → hybridní forma chemického senzoru (flip-chip na keramický substrát) ⇒ HFC-FET (hybride flip-chip field effect transistor) – princip oddělené báze (gate) → SGFET (suspended FET)