Senzory a aplikace senzorů pro monitorování a řízení chemických a biologických procesů

Tematická skupina Senzory Ústav fyziky a měřicí techniky

Senzory a aplikace senzorů pro monitorování a řízení chemických a biologických procesů  Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů  Výzkum optických detekčních metod a senzorů  Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Prezentace výsledků – příspěvek k závěrečné oponentuře VZ 1

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Byla vybudována nová laboratoř chemických senzorů. Výzkum má multidisciplinární charakter a zahrnuje:    

materiálové inženýrství, problematiku depozice citlivých vrstev, vývoj metodiky a instrumentace elektrických měření na senzorech, matematické metody zpracování získaných dat.

2

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Vybavení laboratoře, pořízené z finančních prostředků VZ, ÚFMT a grantů:

Pevnolátkový laser Nd:YAG

Zdroj záření při depozicích tenkých vrstev organických látek metodami PLD a MAPLE

QCM measuring station

Měření impedance krystalových rezonátorů

Multifunkční depoziční komora Umožňuje depozice různých kategorií materiálů čtyřmi metodami: PLD (Pulsed Laser Deposition) MAPLE (Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation) OME (Organic Molecular Evaporation) Napařování 3

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

Vybavení laboratoře Nanášení vodivého inkoustu metodou Ink-Jet • jednoduchá příprava elektrod pro senzory

Spin Coating • nanášení tenkých vrstev pomocí odstředivky

1 průjezd trysky

Kapky stříbrného inkoustu vystřikované z piezoelektrické trysky

2 průjezdy trysky

Zaschlé kapky vodivého inkoustu

4

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů  Výzkum laserových technologií (PLD, MAPLE, laserové žíhání) a odpařování organických látek za vysokého vakua metodou OME.  Nanášení organických polovodičů polymerní i nepolymerní povahy (MAPLE, evaporátor) pro depozice citlivých vrstev: • chemických vodivostních senzorů, • senzorů na bázi QCM krystalových rezonátorů.

 Diagnostika vrstev z hlediska struktury chemického složení a detekčních vlastností.  Realizace metody ink-jet printing - tištění senzorových motivů (elektrod i citlivých vrstev) pomocí piezoelektrické trysky.  Výzkum v oblasti syntézy polypyrrolu a jeho využití pro citlivé vrstvy senzorů.  Zkoušení dalších materiálů pro citlivé vrstvy senzorů: • nanostrukturovaný diamant (nukleační zárodky v radiofrekvenčním plazmatu), • nestechiometrický oxid nikelnatý • nepolymerní látky organické povahy - ftalocyaniny s různými kationty 5

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

SEM snímek vrstvy acetylacetonátu (připraveno metodou PLD)

Nanostrukturovaný polypyrrol pro aktivní vrstvy senzorů (polymerizace v roztoku metodou soft-template)

Senzorové substráty s polypyrrolem (metoda MAPLE)

s ftalocyaninem zinku (metoda OME) 6

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

S využitím bezdotykových teploměrů a termokamer bylo zkoumáno rozložení teploty na povrchu chemických senzorů. 556.0 °C

Sledování teplotních gradientů na povrchu pelistorového senzoru pro různé pracovní podmínky (příkon topení) a umístění v měřicí komoře (prostorová orientace). 252.6 °C 250

500

Li1 400

300

200

245.5 °C

Stanovení emisivity jednotlivých částí chemického vodivostního senzoru Ar1

100 80.0

200

200

150

150

začerněno 100

100

Ar1

Rozdělení teploty v pracovní oblasti 50 27.6

Li1 Li2 50 Li3 Li4 Li5 Li6 26.5

7

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

Za období 2005-2012 publikovala výzkumná skupina v rámci řešení VZ 14 výstupů evidovaných v databázi Web of Knowledge, práce měly celkem 66 citací (bez autocitací) (stav ke dni 18.4.2012). Velmi významné výsledky: Monografie a kapitola v monografii

Nova Publishers (2011), New York, USA ISBN: 978-1-61209-623-0 ISBN: 978-1-61209-143-3

8

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

Vybrané publikace: 1. Fryček R., Jelínek M., Kocourek T., Fitl P., Vrňata M., Myslík V., Vrbová M.: Thin organic layers prepared by MAPLE for gas sensor application, Thin Solid Films, Vol. 495 (2006) pp. 308-311. 2. Jelínek M., Kocourek T., Flory F., Escoubas L., Manzigue T., Myslík V., Vrňata M., Fryček R., Vysloužil F.: Laser-deposited thin films for butane detection, Laser Physics, Vol.16, No.2 (2006) pp. 217-222. 3. Komenda V., Myslík V., Vrňata M., Vysloužil F., Fitl P., Fryček R., Jelínek M.: Compound tin dioxide - tin acetylacetonate thin layers for sensor applications, Sensors and Actuators B, Vol. 119 (2006) pp. 239-244. 4. Thang Le M., Kovanda M., Myslík V., Vrňata M., Van Driessche I., Hoste S.: Pulsed laser deposition and dip-coating techniques in the fabrication of bismuth molybdate gas sensors, Thin Solid Films, Vol. 497 (2006) pp. 284-291. 5. Fryček R., Vysloužil F., Myslík V., Vrňata M., Kopecký D., Ekrt O., Fitl P., Jelínek M., Kocourek T., Šipula R.: Deposition of organic metalocomplexes for sensor applications by MAPLE, Sensors and Actuators B (2007) Vol.125, pp. 189-194. 6. Kopecký D., Vrňata M., Vysloužil F., Myslík V., Fitl P., Ekrt O., Matějka P., Jelínek M., Kocourek T.: Polypyrrole thin films for gas sensors prepared by MatrixAssisted Pulsed Laser Evaporation technology: effect of deposition parameters on material properties, Thin Solid Films Vol. 517 (2009) pp.2083-2087. IF 1,884 9

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

Vybrané publikace: 7. Vrňata M., Kopecký D., Vysloužil F., Myslík V., Fitl P., Ekrt O., Hofmann J.: Impedance properties of polypyrrolic sensors prepared by MAPLE technology, Sensor and Actuators B, Vol. 137 (2009) pp. 88-93. IF 3,122 8. Kadlec K.: Non-contact Measuring the Surface Temperature of Chemical Sensors. Proceedings SENSOR 2009, Volume II, 14th International Conference on Sensors, Technologies, Electronics and Applications, SENSOR+TEST Conference 2009, Nürnberg, pp. 335-340. Ed. AMA Service GmbH, Wunstorf, Germany 2009. ISBN 978-3-9810993-5-5 9. Kmínek M. Kadlec K., Nachtigalová I., Jakeš B.: Využití termografie ke studiu dynamiky kondenzátoru brýdových par. AUTOMA 17, 8-9, 44-46 (2011), ISSN 1210-9592 10. Seidl J., Vysloužil F., Vrňata M., Ekrt O., Myslík V., Kopecký D., Fitl P., Hofmann J., Nápravník J.: AC analysis of organocomplex sensing layer with Pd catalyst, Sensor Letters, Vol. 8, No. 3 (2010) pp. 507-511. IF 0,626 11. Kopecký D., Vrňata M., Vysloužil F., Fitl P., Ekrt O., Seidl J., Myslík V., Hofmann J., Náhlík J., Vlček J., Kučera L.: Doped polypyrrole for MAPLE deposition: Synthesis and characterization, Synthetic Metals, Vol. 160, No. 9-10 (2010) pp. 1081-1085. IF 1,901 10

Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů

Vybrané publikace: 12. Náhlík J., Kašpárková I., Fitl P.: Study of quantitative influence of sample defects on measurements of resistivity of thin films using van der Pauw method, Measurement, Vol. 44 (2011) pp. 1968-1979. IF 0,846 13. Fitl P., Myslík V., Vrňata M., Náhlík J., Kopecký D., Vlček J., Hofmann J., Lančok J.: Sensing Properties of Tin Acetylacetonate-Based Thin Films Doped with Platinum, Sensors and Materials, Vol. 24, No.2 (2012) pp. 75-86. IF 0,446. 14. Sedlák P., Šikula J., Majzner J., Vrňata M., Fitl P., Kopecký D.,Vysloužil F., Handel P.H.: Adsorption-desorption noise in QCM gas sensors, Sensors and Actuators B (2012) in press, doi: 10.1016/j.snb.2012.02.058. 15. Fitl P., Myslík V., Vrňata M., Náhlík J., Kopecký D., Vlček J., Hofmann J., Lančok J.: Sensing Properties of Tin Acetylacetonate-Based Thin Films Doped with Platinum, Sensors and Materials, Vol. 24, No.2 (2012) pp. 75-86. IF 0,446. 16. Sedlák P., Šikula J., Majzner J., Vrňata M., Fitl P., Kopecký D.,Vysloužil F., Handel P.H.: Adsorption-desorption noise in QCM gas sensors, Sensors and Actuators B (2012) in press, doi: 10.1016/j.snb.2012.02.058.

11

Výzkum optických metod a senzorů  Byly vytvořeny systémy pro automatické snímání a vyhodnocování obrazů z oblasti chemie a potravinářství • detekce pevných částic rozptýlených v transparentním prostředí, • detekce množství plísně Penicillium cammemberti na povrchu potravinářských produktů • měření rozměrů částic katalyzátoru pomocí scanneru • měření morfologických parametrů škrobové membrány

 Byly zakoupeny softwarové i hardwarové prostředky • EDF modul k programu NIS Elements, • motorizovaný stolek pod mikroskop NIKON,

umožňující: • snímání kvalitních snímků, • snímání velkoplošných obrazů s velkou hloubkou ostrosti, • snadné a přesné vyhodnocení. 12

Výzkum optických metod a senzorů Ukázka vytvoření virtuálního měřicího přístroje

pro měření velikosti částic katalyzátoru

pro měření růstu plísní

Blokové schéma virtuálního měřicího přístroje

13

Výzkum optických metod a senzorů Příklady 3D analýzy snímků

Konstrukční součástka - měření hloubky vrypu

Mikroskop NIKON, Kamera Jenoptik ProgRes, Motorizovaný stolek pro skenování XYZ

Škrobová membrána - měření morfologických parametrů 14

Výzkum v oblasti optických metod a senzorů Příklady aplikací

Měření velikosti buněk listu

Měření plochy plísní na salámu

Měření rozměrů katalyzátoru

Měření rozměrů síta pomocí FFT

15

Výzkum optických metod a senzorů Vybrané publikace: 1. Korbářová A., Jirák E.: New modular system for automatic image analysis of food. Summaries 5 – Systems and Technology, 19th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010, pp. 2107, Ed. Process Engineering Publisher, Praha 2010, ISBN 978-80-02-02250-3, full text No. P5267 on CD (10 pgs.) 2. Korbářová A., Havlík J., Jirák E.: Size measurement of cylindrical particles by image analysis. 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Summaries 4, p. 1366, Ed. Process Engineering Publisher Praha 2008, ISBN 978-80-02-02051-6, CD-ROM of Full Texts, pp. P5.32_1 - 4, Orgit Ltd. Praha 2008, ISBN 978-80-02-02047-9 3. Havlík J., Jirák E., Korbářová A.: Airborne particle evaluation using image analysis. Proceedings the 8th International Scientific - Technological Conference Process Control 2008, p. 202 (Full text on CD: pdf ID: C090 (p. C090 1-4), University of Pardubice, Pardubice 2008, ISBN 978-80-7395-077-4 4. Korbářová A., Jirák E., Pipek P., Bělková B.A.: Obrazová analýza v potravinářství – měření plochy plísní na salámech. AUTOMA 13, 12, 9-10, (2007), ISSN 12109592 16

Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu  Výzkum dekontaminačních vlastnosti nízkoteplotního plazmatu na různých typech mikroorganismů. • Mikromycety se jeví odolnější k nízkoteplotnímu plazmatu než dosud studované bakterie a eukaryotní kvasinky. • Byl pozorován zajímavý jev zpomalení růstu exponovaných spor mikromycet, tento jev je i dále studován s využitím obrazové analýzy.

 Pozorovaný nový jev, tzv. “kometární výboj”. • Byl úspěšně uplatněn jako užitný vzor u Úřadu pro ochranu duševního vlastnictví ČR. • Bylo dosaženo dalšího pokroku objevením efektu tzv. “sekundární” mřížky, která značně zvětšuje účinnou plochu dekontaminace.

 Při studiu inaktivace prionů byla zjištěna perzistence baktericidních vlastností ve vodě vystavené nízkoteplotnímu plazmatu i dlouhou dobu, řádově týdny, po samotné expozici. • Fenomén byl zkoumán a byly měřeny koncentrace látek generujících se v exponované vodě např. oxidů dusíku, ozónu a peroxidu vodíku. 17

Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Výzkum a možnosti aplikace různých typů korónových výbojů Pro účely dekontaminace byly použity následující typy korónových výbojů:

Kladná koróna

• • • •

Přechodová jiskra

Záporná koróna Bipolární koróna Kometární výboj

stabilizace výbojů předřadnou impedancí a optimalizací geometrie elektrod dosažení nových režimů a zvýšení výkonu a proudu výbojů u kometárního výboje - možnost bezkontaktní dekontaminace některé režimy jsou doprovázeny výraznými proudovými pulzy  větší dekontaminační účinnost,  efekt tzv. „mrtvé vody“ (reaktivní molekuly přetrvávají ve vodě i po skončení expozice výboji)

18

Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Výzkum mikrobicidních vlastností korónového výboje

Inhibiční zóny exponovaného kultivačního média kometárnímu výboji

Pokles počtu bakterií ve vodní suspenzi při expozici výboji

Dezinfekce lidské pokožky

Pokles pH ve vodě v průběhu expozice výboji

19

Výzkum v oblasti sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Vybrané publikace: 1. Scholtz V., Kommová L., Julák J.: The Influence of Parameters of Stabilized Corona Discharge on its Microbicidal Effect. ACTA PHYSICA POLONICA A, Volume: 119, Issue: 6, Pages: 803-806, 2011, ISSN 0587-4246. IF=0,467 2. Julák J., Janoušková O., Scholtz V., Holada K.: Inactivation of Prions Using Electrical DC Discharges at Atmospheric Pressure and Ambient Temperature. PLASMA PROCESSES AND POLYMERS, Volume: 8, Issue: 4, Pages: 316-323, 2011, ISSN: 1612-8850, IF=1,643 3. Julák J., Scholtz V., Kotúčová S., Janoušková O.: The persistent microbicidal effect in water exposed to the corona discharge. Physica Medica, Article in Press, ISSN: 1120-1797, IF=1,316 4. Scholtz V., Julák J., Štěpánková B.: Comparison of point-to-plane and point-topoint corona discharge for the decontamination or sterilization of surfaces and liquids. Plasma Medicine, 1 (1), pp. 21-25, 2011, ISSN: 1947-5764. IF není, Scopus ano. 5. Krempaský J., Scholtz V.: Spontaneous structuralization of discrete biological systems with diffusion, Dynamics of Continuous, Discrete and Impulsive Systems Series B: Applications and Algorithms, 18 (2), pp. 135-147, 2011, ISSN: 149220 8760. IF není, Scopus ano.

Výzkum v oblasti sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Vybrané publikace: 6. Horák P., Khun J., Vrňata M.: Impedance-Stabilized Positive and Negative Corona Discharge: I-V Characteristics, Proceedings of Plasma 2011, International Conference on Research and Application of Plasmas, Warsaw, Poland, September 12 - 16, 2011 - [CD-ROM] ISBN 978-83-926290-1-6, p. 4 7. Scholtz V., Julák J., Kříha V.: The Microbicidal Effects of Low-Temperature Plasma Generated by Corona Discharge: Comparison of Various Microorganisms on an Agar Surface or in Aqueous Suspension. Plasma Processed and Polymers. Vol. 7, (2010), No. 3-4, p. 237-243, ISSN 1612-8850, IF = 4.037 8. Scholtz V., Julák J.: Plasma Jet-Like Point-to-Point Electrical Discharge in Air and its Bactericidal Properties. IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 38, (2010), No. 38, p. 1978-1980, ISSN 0093-3813, IF = 1.253 9. Scholzt V., Julák J.: The "cometary" discharge, a possible new type of DC electric discharge in air at atmospheric pressure, and its bactericidal properties. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 223, (2010), No. 1, Article number 012005, 2010, pp. 1-4. ISSN 1742-6596 10. Horák P., Khun J.: Impedance-stabilized positive corona discharge and its decontamination properties. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 223, 21 (2010), No. 1, Article number 012006, 2010, p. 1-5. ISSN 1742-6596

Tematická skupina Senzory ÚFMT vedoucí skupiny: K. Kadlec

Pracovníci, kteří se podíleli na řešení VZ v letech 2005 až 2011  Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Chemické vodivostní senzory M. Vrňata, D. Kopecký, P. Fitl, J. Hofmann, O. Ekrt, L. Fišer, J. Jirešová, J. Seidl, J. Škodová, J. Vlček, F. Vysloužil , H. Uhrová, L. Kučera, K. Široký Pelistorové senzory K. Kadlec, L. Fišer, M. Karlík, L. Kučera Aplikace senzorů pro monitorování a řízení procesů K. Kadlec, D. Kopecký , P. Fitl, L. Fišer, J. Hofmann , E. Jirák Metrologická problematika J. Macháč, F. Vysloužil

 Výzkum optických detekčních metod a senzorů E. Jirák, A. Korbářová, J. Havlík

 Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu V. Scholtz, J. Khun

22