VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY

Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D.

ELEKTROCHEMICKÉ MIKROSENZORY ELECTROCHEMICAL MICROSENSORS

ZKRÁCENÁ VERZE HABILITAČNÍ PRÁCE

BRNO 2008

Klíčová slova: sítotiskové senzory, tenkovrstvé senzory, vodivost, voltametrie, amperometrie, pH senzor, ISFET, biosenzory

Keywords: screen-printed sensors, thin-film sensors, conductivity, voltammetry, amperometry, pH sensors, ISFET, biosensors.

Místo uložení: Ústav mikroelektroniky, FEKT, VUT v Brně, Údolní 53, 602 00 Brno

© Jaromír Hubálek, 2008 ISBN 978-80-214-3764-7 ISSN 1213-418X

ÚVOD .......................................................................................................................................... 4  1  PROBLEMATIKA CHEMICKÝCH MIKROSENZORŮ A BIOSENZORŮ ...........  6 1.1  MIKROSENZORY A MIKROSYSTÉMY ............................................................................... 1.1.1  Definice senzoru ..................................................................................................... 1.1.2  Klasifikace senzorů ................................................................................................ 1.1.3  Elektrochemická senzory........................................................................................ 1.1.4 Technologie výroby ................................................................................................ 1.1.5  Zpracování výstupního signálu ..............................................................................

6  6 6  7  7  8 

2  CÍLE PRÁCE .................................................................................................................... 10  2.1  2.2  2.3  2.4  2.5 

PLANÁRNÍ KONDUKTOMETRICKÉ SENZOR ...................................................................... 10  ODPOROVÉ MIKROSENZORY PLYNŮ ............................................................................... 10  NOVÝ HYDRODYNAMICKÝ ELEKTROCHEMICKÝ SYSTÉM VYUŽÍVAJÍCÍ MIKROSENZORY . 10  SENZORY PRO DETEKCI NĚKTERÝCH BIOLOGICKY ZAJÍMAVÝCH LÁTEK ......................... 10  NANOSTRUKTUROVANÉ ELEKTRODY PRO CHEMICKÉ SENZORY ..................................... 10 

3  VÝSLEDKY S KOMENTÁŘEM .................................................................................. 11  3.1  PLANÁRNÍ KONDUKTOMETRICKÝ SENZOR ................................................................... 3.2  ODPOROVÉ MIKROSENZORY PLYNŮ ............................................................................. 3.3  NOVÝ HYDRODYNAMICKÝ ELEKTROCHEMICKÝ SYSTÉM VYUŽÍVAJÍCÍ MIKROSENZORY 3.4  SENZORY PRO DETEKCI NĚKTERÝCH BIOLOGICKY ZAJÍMAVÝCH LÁTEK ....................... 3.4.1  Naftochinony ........................................................................................................ 3.4.2  Ureáza .................................................................................................................. 3.4.3  Metalothionein ..................................................................................................... 3.4.4  Glutathion ............................................................................................................ 3.5  NANOSTRUKTUROVANÉ ELEKTRODY PRO CHEMICKÉ SENZORY ...................................

11  12   16  16  16  17  18  18  19 

4  LITERATURA ................................................................................................................ 20  5  PŘÍLOHA ........................................................................................................................ 23 

3

Úvod Posledních několik desítek let se vyznačuje velkým vývojem v oblasti vyspělých technologií, které zasahují významně do našeho života. S tímto pokrokem a důrazem na bezpečnost a komfort se obzvláště v 21. století silně rozvíjejí senzory, které nalezneme především v průmyslu, domácnostech a dopravních prostředcích, ale v podstatě dnes zasahují téměř do všech oblastí veřejného života. Tento rozvoj umožnily technologie miniaturizace, které přinesly levné, ale vysoce sofistikované senzorické mikrosystémy. Miniaturizace senzorů tak přispěla i k opětovnému rozvoji elektrochemických senzorů. Elektrochemické analýzy jsou z minulosti známé hlavně v souvislosti s detekcí těžkých kovů ve vodě, potravinách a zkoumáním korozivních vlivů na povrchy materiálů. Elektrochemické metody tedy sloužily a dodnes slouží k jednoduchému, rychlému monitorování zátěží chemických látek v životním prostředí a potravním řetězci, které s prostředím bezprostředně souvisejí. Z těchto důvodů se u veřejnosti vžilo, že si je spojuje s ochranou života, tedy detektory, technikami a metodami chránícími život a zemi. Takové obecné trvzení se jistě zakládá na reálném podkladě a na počátku 21. století existuje celá řada pokročilých detektorů a metod kvalitativní i kvantitativní analýzy od optických, rentgenových a elektronových. Ve většině případů jde o vysoce specializované, složité a především nákladné systémy s vysoce kvalifikovanou obsluhou a lze je nalézt pouze na specializovaných pracovištích. Na druhou stranu elektrochemické systémy stále patří k nejjednoduším s velmi dobrými vlastnostmi jako je rychlost, přesnost a nízké náklady. Senzitivní část – snímač – je nejdůležitější prvek každého senzoru (detektoru). Určuje základní vlastnosti a parametry každého senzoru a navíc je velmi robustní a relativně jednoduchá. Trend miaturizace těchto relativně jednoduchých snímačů by mohl přinést znovu objevení elektrochemických metod pro běžné použití. Současná praxe spočívá na náhodném či cíleném odběru vzorků z různých lokalit a následném rozboru ve specializovaných laboratořích, který je nákladný a zdlouhavý. Veřejnost požaduje, aby byla ochrana člověka před toxickými látkami mnohem důkladnější a hlavně včasná. Miniaturní senzory by mohly tvořit součást robustních mikrosystémů s vlastní inteligencí, které by prováděly celou řadu analýz on-line a tak monitorovaly, jak chemické látky produkované člověkem pronikají do životního prostředí a také by byly nápomocny k okamžité lokalizaci ekologických havárií. Stejně dobře se uplatní i v medicínské a genetické diagnostice nebo analýze plynů. Pro svou malou velikost a nízkou cenu mohiou být umístěny na mnoha místech lidské činnosti a ve stejném okamžiku tak chránit nejen lidi, ale celé naše prostředí a v konečném důsledku celou planetu.

Motivace T

V současné době jsou v analytické chemii velmi rozšířené moderní optické detektory převážně užívané v chemiluminiscenci, spektroskopii nebo chromatografii. Jsou to metody velmi přesné, ale nákladné na pořízení i provoz. Cílem současné vědy je vytvořit detektory v miniaturizované formě, které by byly levné a s dostatečnou citlivostí a reprodukovatelností. Tyto požadavky je velmi obtížné splnit, protože miniaturizace optických systémů není zatím tak propracovaná. Ukazuje se, že pro mnoho aplikací není potřeba tak přesných detektorů, např. jako předanalýza, která vyloučí kontaminaci a tím i nutnost přesné nákladné analýzy. Otevírají se tak dveře využití levných a rychlých neoptických metod. Stejně tak dobře pro běžné uživatele postačí senzor s nižší

4

přesností (detekce toxických plynů v atmosféře, kouře v uzavřených prostorách, kontrola spalin kotelen, motorů, v klimatizačních a ventilačních jednotkách využívající jednoduchý senzor kyslíku nebo CO2). Není tak přímo potřeba stanovit přesnou koncentraci plynu v prostředí pro spuštění navazujících technologií (klimatizace, řízená atmosféra). V těchto případech je výhodné využít velmi levné miniaturní elektrochemické snímače nebo senzory, které mají již dostatečnou přesnost. Jejich výhodou je i vysoká odolnost (ve vysokoteplotních procesech lze veličiny měřit on-line přímo ve výrobním procesu). B

B

Životopis T

Po absolvování vysokoškolského studia v oboru Elektronické součástky a systémy na FEI VUT v Brně v roce 1996 nastoupil jako interní doktorand oboru Mikroelektronika a technologie. V roce 2000 působil na katalánské univerzitě Rovira i Virgili v Tarragoně ve Španělsku na základě získání ročního stipendia od španělské vlády. Od poloviny roku 2001 se stal výzkumným pracovníkem na téže univerzitě, kde pracoval až do září 2003 na projektech týmu senzorů plynů vedeného Xavierem Correigem z Departament d’Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica. Doktorskou práci s názvem Chemical sensor – Precise measurement using planar electrodes úspěšně obhájil v roce 2003. Tato práce se zabývá konstrukcí, optimalizací a přesným měřením interdigitální strukturou elektrod v konduktometrické analýze roztoků. Od roku 1996 pracoval na několika projektech GA ČR: GA102/97/S078 MOSAIC Modelování, simulace a syntéza mikrosystémů, GA102/95/0875 TANTAL Testability of Analog and Analog/Digital Integrated Circuits, GA102/00/0939 INTIM Integrated Intelligent Microsystems, GA102/00/0938 TLAKAN Pressure Analyzer. Dále na výzkumných záměrech: MSM 262200022 Výzkum mikroelektronických systémů a technologií, a MSM0021630503 Nové trendy v mikroelektronických systémech a nanotechnologiích (MIKROSYN); projektech MPO FD-K2/53 ANTOPE Výzkum nových metod přístrojové analýzy toxicity pro integrální měření toxicity v potravinářském průmyslu a jejich ověření na prototypu analyzátoru toxicity pesticidů, a FT-TA/089 IBIS Inteligentní biosenzorický systém pro detekci pesticidů a herbicidů v životním prostředí. Sám získal jako řešitel projekt GA ČR GP102/04/P162 „Mikro- a nanostruktury realizované v mikroelektronických technologiích“ a GA102/08/1546 „Miniaturizované inteligentní systémy a nanostrukturované elektrody pro chemické, biologické a farmaceutické aplikace“; projektu GA AV Národního programu podpory výzkumu a vývoje 1QS201710508 „Impedimetrické chemické senzory s nanomechanizovaným povrchem elektrod“; dále na programu Nanotechnologie pro společnost KAN208130801 „Nové konstrukce a využití nanobiosenzorů a nanosenzorů v medicíně“, a třech projektech FRVŠ. Přednáší i cvičí předmět bakalářského studia Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Ve starém magisterském oboru EVM přednášel předmět Digitální obvody.

5

1 Problematika chemických mikrosenzorů a biosenzorů 1.1 Mikrosenzory a mikrosystémy Slovo senzor bývá v naučném slovníku stručně vysvětleno jako „zařízení k přeměně fyzikální veličiny na elektrický signál, snímač, „čidlo“ nebo výstižnější vysvětlení jako „snímač popudů“, tedy zařízení, jímž se libovolná fyzikální veličina snímá a transformuje na veličinu jinou, snáze měřitelnou (obvykle elektrickou)“ [1]. Slovo senzor je ale odvozeno z latiny, kde znamená „citlivý“, a mělo by být chápáno jako citlivost na vnější podnět. Obecně je tedy senzor definován jako zařízení reagující na podnět, stav prostředí (měřenou veličinu) a převádějící jej na výslednou odezvu nebo informaci (výstupní veličinu). Pojem senzor je v obecné rovině ekvivalentní pojmu snímač, převodník nebo detektor, i když odborná terminologie tyto pojmy považuje za součásti senzoru, ale i odborníci se liší v definovaných pojmech, což svědčí o chybějící normativní definici. 1.1.1

Definice senzoru

V technické praxi se ustálila následující definice [2]: Pod pojmem senzor je chápáno zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálním převodem na veličinu výstupní často elektricky kvantitativní. Stav sledované veličiny snímá citlivá část senzoru občas označovaná jako snímač a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický signál, který je vyhodnocen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody, viz obrázek 1.1. 1.1.2

Klasifikace senzorů

Klasifikace senzorů by měla jít logicky od jednoduchých ke složitým. Klasifikace umožňuje rozdělit senzory podle vstupní veličiny, principu převodu, výstupní veličiny, styku s měřeným prostředím, chování výstupu, převodu neelektrické veličiny a výrobní technologie [2]. SENZOR Podnět, prostředí

Snímací převodník

Fyzikální, chemický proces

Vyhodnocovací obvod

Další obvod

výstupní veličina kvantitativní

Obrázek 1.1 Zobecněná struktura senzoru

Uvedené klasifikace jsou rozsáhlé. V našem případě bude vždy senzor s elektrickým signálovým výstupem, vstupní veličinou bude neelektrická veličina, senzor bude ve styku s měřeným prostředím a bude napájený z vnějšího zdroje. V případě chemických senzorů bude vždy typ senzoru udávat princip převodu neelektrické veličiny i počet neelektrických převodníků. Vzhledem k tomu, že současná technika umí jednoduchý signál zpracovat velmi sofistikovanými metodami,

6

je nutné rozdělení senzorů rozšířit i o metody vztahující se ke zpracování signálu. Potom lze rozdělení chemických senzorů provést pouze podle principu převodu (obrázek 1.2), technologie výroby a zpracování signálů. Chemické senzory

elektrochemické

gravimetrické

teplotní

fluorescenční

optické

Obrázek 1.2 Rozdělení chemických senzorů podle principu převodu [2]

1.1.3

Elektrochemická senzory

Chemické senzory pracující na elektrochemickém principu jsou založeny na reakci iontů s povrchem elektrody nebo fyzikálně chemického převodníku. Výměna náboje může být uskutečněna pouze výměnou elektronu nebo iontu. Tato výměna náboje se vyjadřuje následující reakcí [3]: Ox + e −

⎯ ⎯→ Re ← ⎯⎯

( 1.1 )

Levá strana vyjadřuje oxidaci, jejímž produktem je oxidovaná složka a předaný elektron elektrodě, pravá strana je redukce, při níž byl elektron z elektrody odebrán. Tato redox reakce je v podstatě princip fyzikálně-chemického převodíku, který je součástí každého elektrochemického senzoru. 1.1.4

Technologie výroby

Dnes nejrozšířenější technologie umožňující miniaturizaci systémů pocházejí z mikroelektroniky a jsou jimi technologie tlustých vrstev (TLV) [4]–[7] vyznačující se levnou sítotiskovou technikou s rozlišením do 100 µm. Rozvinutou variantou TLV založenou na litografii a dosahující rozlišení 10 µm je technika sítotisku fotocitlivých past. Technologie tenkých vrstev (TNV) [8]–[10], která v ruku v ruce s technologií polovodičů (TPV) [11], [12] tvoří nejrozvinutější způsob minitaturizace elektronických součástek a systémů, dosahuje dnes již submikronových rozlišení, a to už na úrovni 45 nm. Výzkum a vývoj mikrosenzorů a aktuátorů přinesl velké množství nových konstrukcí, materiálů a technik. Již zmíněné technologie miniaturizace jako základní se užívají spolu s nově vyvinutými technikami, jež jsou výsledkem moderního materiálového inženýrství. Dvě poslední zmíněné technologie (TNV+TPV) byly rozvinuty do technik umožňujících vytváření mikroelektromechanických systémů (MEMS) [13]–[16]. MEMS dnes už

7

zasahují i do oblasti nanorozměrů (NEMS) [15], [16]. Příklady technik využívaných a rozvinutých pro senzorovou techniku ukazuje tabulka 1.2. Současná technologie umožňuje vytvářet multivrstvové systémy s porézními, ale i neporézními chemicky odolnými vrstvami, pravidelně uspořádané struktury, samouuspořádající se vrstvy apod.

Tabulka 1.1 Techniky užívané v konstrukci senzorů [17] Technologie tlustých vrstev

Technologie tenkých vrstev

Sítotisk Fotolitografie Elektrodepozice, leptání, anodizace Glazurování – skelná vrstva Sol-gel drop-coating Mletí, homogenizace Teplotní slinování, rekrystalizace

Elektronová litografie a fotolitografie Napařování – termické, chemické, elektron. svazkem Naprašování – magnetronové, RF, reaktivní CMOS proces Laserové odprašování Elektrodepozice, leptání, anodizace Termické nebo chemické vytváření skla Sol-gel spin-coating nebo dip-coating, impregnace Samovytváření struktur – selfassembling

1.1.5

Zpracování výstupního signálu

V průběhu let s rozvíjením mikroelektroniky a zpracováním signálů se vyvíjela i obvodová složitost senzorů. Nejjednodušším typem je analogový elektronický detektor, jehož výstupem může být analogová veličina jako stejnosměrné napětí či proud získané většinou zesilovačem. Dalším stupněm je A/D převodník, jenž převádí analogovou veličinu na digitální. Takový výstup je už snadno přenášen na větší vzdálenosti díky většímu odstupu signál/šum a může být dále zpracován počítačově. Signál je převáděn v případě jednovodičového výstupu do podoby impulzů, např. šířkově modulované (PWM) [18] nebo přírůstkově modulované (PDM) [19] jako bit-stream, nebo je převeden na n-bitové slovo po n-žilovém vodiči, popř. je přenášen sériovou linkou. Současná číslicová technika umožňuje využít miniaturních mikrokontrolérů přímo u senzoru, čímž je senzor vybaven inteligencí, zpracováním signálů a sofistikovaným výstupem (sběrnicí) komunikující podle určitého protokolu. Nejznámější sériovou a paralelní sběrnicí je RS-232 [20], který je vytlačován USB 2.0, [21], dále CAN [22], GPIB [23] a v současnosti přímé připojení do sítě Ethernet [24] nebo do sítě vyvinuté speciálně pro senzory nazvané IEEE 1451 [25]. Tento vývoj znázorňuje obrázek 1.3. Název

Podmět, prostředí (měřená veličina)

SMART senzor Senzor s digitálním zpracováním Senzor s elec tronickým detektorem Snímač -převodník Převod neelektrická Analogové veličina/ elektrická vyhodnocení veličina signálu

A/D převodník

Mikroprocesorové řízení

Signál ke sběrnici (výstupní veličina)

Obrázek 1.3 Vývoj senzorů vyjadřující nárůst jejich složitosti [2]

8

Senzory, které mají alespoň základní inteligenci (obsahují všechny celky), nazýváme inteligentní senzor. Základní inteligence takového senzoru spočívá v autotestování, autokalibraci a automatickou změnou rozsahu s udáním jednotky [2]. Rozšířená inteligence bývá zpravidla v autokompenzaci podle kalibračních křivek, metody zpracování signálů jako Z-transformace, Wavelet-transformace, Fuzzy-logika a neuronové sítě. Jsou-li jednotlivé celky integrovány společně na jeden čip, pak mluvíme o SMART senzoru (nemusí být nutně inteligentní senzor) [26].

9

2 Cíle práce Cílem práce jsou mikrosenzory založené na mikroelektrodách a materiálech umožňující využít elektrochemických metod. Důležité aspekty práce jsou nejenom v konstrukci, materiálech, ale také v použitých metodách měření a zpracování výsledků. Nejčastěji jsou analyzovány plyny a roztoky, proto lze rozdělit cíle na senzory detekující veličiny z plynů a nebo z kapalných roztoků. S rozvojem nanotechnologií je velmi zajímavé využití nanočástic a nanostrukturovaných materiálů pro zlepšení senzitivity a selektivity stanovení analytu. Vedle konstrukce senzorů je nutné se zabývat metodikou měření a zpracování výsledků zahrnutých do inteligentního senzoru, popřípadě přídavných systémů jako např. hydrodynamický systém, které v celku tvoří komplexní analytické zařízení zajišťující požadované podmínky pro přesná měření. 2.1 Planární konduktometrické senzor Cílem práce je ukázat, za jakých podmínek lze využít miniaturní planární senzor s interdigitální strukturou elektrod. Důležitým dílčím cílem je možnost měření v širokém rozsahu vodivostí bez potřeby změny cely s vhodnější konstantou. 2.2 Odporové mikrosenzory plynů Měření plynů stále více proniká do všech oblastí života, a proto je nutné vytvořit miniaturní detektory, které budou mít dobrou citlivost, reprodukovatelnost a velmi malou citlivost na vlhkost. Je potřeba najít vhodné katalytické materiály pro mikrosenzory, které zvýší selektivitu v detekci toxických plynů, etanolu a etylenu ve skladech ovoce. 2.3 Nový hydrodynamický elektrochemický systém využívající mikrosenzory Analýzy některých látek na určité pracovní elektrodě vyžadují konvekci, tj. specifikovaný pohyb kapaliny jako je užíván v průtočných celách nebo rotační diskové elektrodě. Průtočné cely již existují, ale jak využít hotový mikrosenzor, který by pracoval obdobně jako rotační disková elektroda, je předmětem výzkumné práce. Cílem je vytvořit konstrukci nového zařízení pro detekci těžkých kovů. 2.4 Senzory pro detekci některých biologicky zajímavých látek U mnoho proteinů vyskytujících se u živých organismů byla zjištěna elektroaktivita, lze je elektrochemickými metodami detekovat. Některé z nich byly v dnešní době označeny jako biomarkry některých látek, většinou toxických. Cílem je využít elektrochemických metod pro sledování koncentrace biologicky významných sloučenin. 2.5 Nanostrukturované elektrody pro chemické senzory Miniaturizace senzorů přináší problém s citlivostí. Elektrodové systémy o velikosti několika µm mají velmi malou plochu, což snižuje jejich citlivost. Cílem je modifikovat povrch mikroelektrody nanostrukturami pro zlepšení detekčních vlastností senzorů.

10

3 Výsledky s komentářem V této práci je předložen soubor publikací s komentářem v oblasti chemických senzorů pro elektrochemickou analýzu, které se zabývají miniaturizací senzorů, využitím nových materiálů, nanotechnologií a levných metod výroby, přičemž je kladen důraz na srovnání jednotlivých řešení z hlediska vlivu konstrukce a materiálů na dosažené výsledky měření (analýzy), tj. citlivosti a limitů detekce jednotlivých senzorů. Od roku 1997 bylo studováno několik různých druhů chemických senzorů a jejich miniaturizací za využití mikroelektronikých technologií. Prvně to byly konduktometrické senzory pro vodné roztoky, dále odporové senzory plynů, voltametrické senzory v oblasti detekce těžkých kovů a nakonec i biosenzorů. 3.1 Planární konduktometrický senzor Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Hubálek, J., Krejčí, J.: Correction Factors of IDEs for Precise Conductivity Measurements. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 91, p. 46–51. Práce [1.a] se zabývá impedanční spektroskopií vodivostních čidel miniturizovaných tlustovrstvou technologií. Výsledky ukazují, že elektrický model je nutné doplnit o parazitní kapacitu nosné destičky (substrátu), na kterém jsou senzory vyrobeny. Tato kapacita substrátu znemožňuje měření impedance na vysokých kmitočtech. Oblast vhodná pro měření vodivosti roztoku je tak vymezena minimálním použitelným kmitočtem fMIN, který je již za oblastí difúze, a maximálním kmitočtem fMAX, kdy se začíná uplatňovat parazitní kapacita substrátu. Oblast mezi fMIN a fMAX se posouvá směrem k nízkým kmitočtům pro nízké vodivosti roztoku, a naopak pro velké vodivosti roztoku (obrázek 3.1). B

B

B

B

Impedance magnitude (kΩ) Modul impedance (kΩ)

B

B

B

B

snižování κ zvyšování κ

fMIN 1/τ2

1/τ1

0 1

10

2

10

fMAX 1/τ

3

3

4

5

10 10 10 Frequency(Hz) (Hz) Frekvence

106

107

Obrázek 3.1 Frekvenční charakteristika vodivostního senzoru s vyznačenou oblastí vhodnou pro stanovení měrné vodivosti roztoků a pohybem této oblasti na její závislosti [27].

Výsledky naznačují, že optimálních výsledků lze dosáhnout při měření na rozhraní, kdy se přestává uplatňovat difúze a začíná půlkruhová část způsobená odporem přenosu náboje a kapacitou dvojvrstvy. V tomto zlomu křivky v komplexní rovině je kapacitní složka nejmenší a ve výsledné impedanci je nejvýznamější reálná část vyjádřena odporem roztoku mezi elektrodami

11

a odporem přenosu náboje na těchto elektrodách. Oba parametry přímoúměrně závisí na měrné vodivosti roztoku. Vztah mezi kapacitními minimy a koncetrací roztoku ukazuje patrnou známku jasně definované závislosti, ze kterých lze odvodit lineární vztah kmitočtu na koncetraci iontů (zde chloridových) v roztoku. Z toho vyplývá, že při měření vodivosti je nutné měnit měřící kmitočet, aby přesnost měření mikrosenzorem byla zachována. Navíc se tím ukazuje možnost měření v širokém rozsahu vodivostí bez nutnosti výměny cely tak, jak to je nutné provádět u běžných makroelektrod. Tato výhoda je přímo požadována, protože výměna cely u integrovaného systému není možná. Při experimentu bylo dosaženo relativní chyby měření měrné vodivosti kolem 2 % a dodatečnou korekcí článkové konstanty bylo možné snížit chybu měření na 1 % . 3.2 Odporové mikrosenzory plynů Výsledky byly uveřejněny v publikacích: Ivanov, P., Llobet, E., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Correig, X.: A route toward more selective and less humidity sensitive screen-printed SnO2 and WO3 gas sensitive layers. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 100, p. 221–227. Bittencourt, C., Llobet, E., Ivanov, P., Correig, X., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Pireaux, J., Calderer, J.: Influence of the doping method on the sensitivity of Pt-doped screen-printed SnO2 sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 2004, 97, p. 67–73. Ivanov, P., Llobet, E., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Correig, X.: Development of high sensitivity ethanol gas sensors based on Pt-doped SnO2 surfaces. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 99, p. 201–206. Hubálek, J., Malysz, K., Prášek, J., Vilanova, X., Ivanov, P., Llobet, E., Brezmes, J., Correig, X., Svěrák, T.: Pt-loaded Al2O3 catalytic filters for screen-printed WO3 sensors highly selective to benzene. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 101, p. 277–283. Llobet, E., Ivanov, P., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Gracia, I., Cané, C., Correig, X.: Screen-printed nanoparticle tin oxide films for high-yield sensor systems. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 96, p. 94–104. Ivanov, P., Llobet, E., Stankova, M., Vilanova, X., Hubálek, J., Correig, X.: Towards a micro-system for monitoring ethylene in warehouses. Sensors and Actuators B: Chemical. 2005, 111–112, p. 63–70. Stankova, M., Ivanov, P., Llobet, E., Brezmes, J., Vilanova, X., Gracia, I., Cané, C., Hubálek, J., Malysz, K., Correig, X.: Sputtered and screen-printed metal oxide-based integrated microsensor arrays for the quantitative analysis of gas mixtures. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 103(1–2), p. 23–30. Khatko, V., Llobet, E., Vilanova, X., Hubalek, J., Malysz, K., Correig, X.: Gas sensing properties of nanoparticle indium-doped WO3 thick films. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 111–112, p. 45–51.

12

Khatko, V., Guirado, F., Hubálek, J., Llobet, E., Correig, X.: X-ray investigations of nanopowder WO3 thick films. Physica status solidi, 2005, 202, p. 1973–1979. Výzkum odporových senzorů byl prováděn na katalánské univerzitě Rovira i Virgili v Taragoně ve Španělsku. Předmětem výzkumu bylo navrhnout testovací elektrodový systém a připravit tlustovrstvé pasty z mikrokrystalického prášku SnO2 a WO3 pro tisk aktivních vrstev o tloušťkách mezi 20–30 µm. Konstrukce senzoru byla koncipována na elektrodách oddělených od topného meandru nosným substrátem. Celý substrát o rozměru 5 × 5 mm byl prohříván tak, aby se na opačné straně, kde byla natištěna aktivní vrstva, dosáhlo požadované teploty. Pasty připravené z mletého komerčního prášku s přídavkem anorganického pojiva, jimiž byly skelné frity nebo Bi2O3, CuO2, a různých katalyzátorů jako příměsí, byly testovány v různých plynech a porovnány. Námi připravené pasty měly velmi dobré reologické vlatnosti a byly velmi dobře tisknutelné s vysokou porézností vrstev, jak dokládají práce [2.a]–[2.d]. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Výsledky ukázaly, že vrstvy s Bi2O3 mají nízkou citlivost na vlhkost oproti vrstvám s CuO2 [2.a]. Testovány byly vrstvy ze slinutých krystalů SnO2 a WO3 v různých plynech. Bylo zjištěno, že polovodivý oxid SnO2 je nejcitlivější na etanol při teplotě 300 °C, což odpovídá schopnosti detekce uhličitanů prokázaný u tohoto materiálu. Vrstva s anorganickým pojivem Bi2O3 byla citlivější než směs Bi2O3+CuO2. U vrstvy WO3 byla prokázána citlivost na dusíkaté sloučeniny jako amoniak a toxický NO2. Největší rozdíl oproti citlivosti vrstvy SnO2 byl v detekci amoniaku, kde bylo prokázáno, že WO3 je zhruba 8× citlivější už při 1 ppm amoniaku. Zajímavé je, že v tomto případě byla vrstva s pojivem Bi2O3+CuO2 citlivější než v případě bez oxidu mědi. Naopak citlivost na metan a CO nebyla prokázána u žádného materiálu, přestože SnO2 by měl být citlivý na tyto plyny. Jako vysvětlení se nabízí právě přítomnost anorganického pojiva, které svými katalytickými účinky znatelně zlešuje odezvu na dusíkaté plyny a může potlačovat reakce některých uhlíkatých plynů. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

V další práci [2.b] byl stejný prášek SnO2 smíchán se skelnou fritou jako pojivem a u dvou vzorků přidána platina jako katalyzátor přimícháním do pasty nebo naprášením tenké vtsvy na vrstvu SnO2. Obrázky z elektronového mikroskopu opět potvrzují velkou poréznost a tím i plochu materiálu ve styku s plynem. Výsledky měření na různé koncentrace etanolu ukázaly, že senzor bez platiny má přibližně stejnou citlivost jako komerční senzor Taguchi založený na SnO2. U vrstev s přídavkem Pt byl prokázán vliv tohoto katalyzátoru na odezvu senzoru v plynech etanolu, která byla nejvyšší pro Pt prášek homogenizovaný přímo do pasty, než senzor s tenkou vrtvou Pt na povrchu SnO2. Energiově disperzní rentgenová analýza (EDX) ukázala velmi homogenní rozložení částic Pt ve vrstvě SnO2, které díky poréznosti vrstvy přineslo vyšší učinnost katalýzy Pt než její přítomnost pouze na povrchu vrstvy. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

V práci [2.c] byl zkoumán vliv teploty sintrování aktivní vrstvy na její citlivost ve sledovaném plynu. V tomto případě byla sintrovací teplota oproti předchozí práci snížena na 600 °C z důvodu vlivu na krystalografickou fázi a předpokládanému zvýšení citlivosti. Zde byl použit materiál SnO2 dopovaný Pt nebo TiO2 nebo Ag a etanol jako testovací plyn. Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) ukázala opět mnohem lepší distribuci platiny v objemu vrstvy oproti naprášené vrstvě Pt na povrchu aktivní vrtsvy, která nedifundovala do objemu, přestože byla vrstva vystavena dalšímu sintrování při teplotě 450 °C. Opět se potvrdily výsledky z předchozí práce, že vrsva SnO2 dopována Pt přidáním do pasty má nejvyšší citlivost na etanol oproti nedopované vrstvě a dopované Pt naprašováním, a to při teplotě 300 °C. Další dopanty jako TiO2 a Ag neukázaly výrazné zlepšení citlivosti. Práce také demonstrovala, že vytvořeným senzorem lze detekovat koncentrace etanolu v atmosféře na úrovni ppb. B

B

B

B

B

B

B

B

13

Jedním z velmi zajímavých a velmi slibných dílčích výsledků práce [2.a] byla prokázaná citlivost WO3 na benzen. Z toho důvodu byly provedeny další experimenty publikované v práci [2.d]. Vzhledem k tomu, že bylo nutné potlačit citlivost vrstvy na amoniak a NO2, byla zvolena koncepce užití katalytického filtru. Na vrstvu WO3 obsahující pojidlo Bi2O3 byla vytvořena další vrstva sloužící jako předkatalýza, jejíž produkty spodní aktivní vrstva detekovala. Byly vyzkoušeny dvě varianty: první verze obsahovala natištěnou Pt vrstvu oddělenou od aktivní vrstvy natištěnou inertní vrstvou Al2O3; druhá varianta byla tvořena pouze jednou vrtvou obsahující smíchaný Al2O3 prášek s Pt práškem v poměru, aby měla vrstva co nejmenší elektrickou vodivost. Výsledky ukazují, že citlivost senzoru s katalytickým filtrem vzrostla 5×. Lepší výsledek byl dosažen s první verzí filtru. Pracují-li jednen senzor s filtrem a druhý bez filtru diferenčně, dosáhne se vynikající selektivity na benzen při 300 °C, jak potvrzují dosažené výsledky při testování odezvy na amoniak, NO2, etanol CO a metan. Na poslední dva plyny žádný z použitých senzorů nereagoval zaznamenatelnou změnou odporu vrstvy. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

V předchozích pracech bylo využíváno mikrokrystalického prášku pomletého za mokra nebo sucha v planetovém plýnu. Jako moderních materiálů jsme začali využívat komerčních nanoprášků, které by mohly slibovat lepší vlastnosti aktivních vrstev. Nanoprášek má oproti mikroprášku mnohem větší plochu vzhledem k jeho objemu. Je zřejmé, že plocha aktivní vrstvy spolu s porézností vrstvy bude u nanoprášku mnohonásobně větší než u mikroprášku. To ale nezpůsobí větší citlivost vrstvy, jak by se mohlo na první pohled zdát, ale bude stejná. Uvážíme-li, že určité ploše bude odpovídat určitý odpor aktivní vrsty mezi elektrodami, bude každá změna odporu úměrná změně plochy při stejné koncentraci plynu. Nnavýšení plochy způsobí stejnou změnu odporu jak v čitateli, tak i ve jmenovateli vztahu pro výpočet citlivosti. Citlivost se tedy použitím nanoprášku nezmění. Přesto se očekává, že některé fyzikálně-chemické vlastnosti se mohou změnit z důvodu kvantově mechanických, které se u nanočástic začínají projevovat oproti makroskopickým ekvivalentům. S určitostí můžeme říci, že oproti citlivosti nanočástice v aktivní vrstvě způsobí větší odezvu, tj. větší změny odporu. Tato vlastnost je v miniaturizaci velmi důležitá, protože menší a menší geometrické velikosti elektrod a tím i aktivních vrstev způsobují snižování velikosti odezev elektrod. Dochází k tomu, že pro nízké koncentrace je změna odporu tak malá, že ji lze těžko odlišit od úrovně šumu vrstvy, zhoršuje se tak limit detekce senzoru způsobený špatným poměrem signál/šum. Využitím nanočástic můžeme odezvu senzoru mnohonásobně zvýšit a při zachování stejného limitu detekce lze tedy snímač senzoru o stejnou míru zmenšit. Výsledky miniaturizace senzorů plynů s nanopráškovými vrstvami jsou shrnuty v publikacích [2.e]–[2.g]. Práce [2.e]–[2.f] pojednávají o nanopráškovém SnO2 a WO3 použitém při miniaturizaci senzoru, který byl konstruován tenkovstrvou technologií na křemíkovém substrátu (čip) a obsahuje 4 nezávislé senzory o geometrické velikosti aktivních vrstev 400 × 400 µm a 200 × 200 µm. Konstrukce je zvláštní tím, že každý senzor je na tenké mebráně z SiO2, která vznikla vyleptáním křemíku z opačné strany substrátu. Tyto senzory se nazývají v angličtině „micro-hotplate“, což umožňuje vyhřívat pouze tenkou membránu a ne celý čip, tzn. každý senzor lze nezávisle vyhřívat na jinou teplotu. Největší přínos této konstrukce je oproti původnímu tlustovrstvému řešení na korundovém substrátu v příkonu potřebném na vyhřívání senzor na požadovanou teplotu. Zatímco u tlustovrstvého senzoru o rozměru 10 × 10 mm byl potřebný příkon na vyhřátí k teplotě 450 °C kolem 5 W, u tenkovrstvého senzoru o rozměru čipu 5 × 5 mm (jeden senzor 1/4 = 2,5 × 2,5 mm) to bylo pouhých 80 mW. Protože jeden čip obsahuje 4 nezávislé senzory, je spotřeba celého čipu maximálně pouhých 320 mW. Rozdíl mezi technologiemi miniaturizace může být velký a naše B

B

B

B

B

14

B

výsledky ukazují, že tenkovrstvým čipem se podařilo 15× snížit příkon při čtyřnásobném množství získané informace (4 snímače) a čtyřnásobně menším senzoru. V práci [2.e] byly vrstvy SnO2 vytvořeny sítotiskem. Pasta byla tvořena čistým nanopráškem bez přídavku anorganického nosiče pouze s organickým nosičem na bázi terpineolu. Tisk byl prováděn na substrát vyhřátý na 60 °C, aby se zamezilo následnému popraskání vrstvy v době tzv. vyrovnávání pasty po tisku před sušením vrstvy. Sintrace byla prováděna při teplotách 600 °C, aby nedošlo ke zničení tenkých vrstev. Adheze sintrovaných vrstev byla velmi dobrá a další operace jako leptání membrán a pouzdření ji neovlivnily. Výtěžnost byla 95 %. Na čipu byly vytvořeny dva druhy elektrod: první typ byly dvě jednoduché elektrody tvořené pouze dvěmi prsty, druhý typ byly víceprstové elektrody ve tvaru hřebínků zasazené do sebe – tzv. interdigitální struktura. Výsledky ukázaly, že u hřebínkových elektrod bylo dosaženo lepších výsledků hlavně ve zvýšení citlivosti než u jednoduchých elektrod. Zajímavostí této práce bylo využití 4 čidel a diskriminační metody pro identifikaci směsí plynů. Bylo využito funkcí Matlabu, s jehož pomocí byla aplikována základní analýza prvků (PCA). Výsledky byly dobře reprodukovatelné, pouze směs acetonu s amoniakem bylo obtižné odlišit od čistého amoniaku. Proto bylo použito nelineárních diskriminačních metod jako multivrstvový perceptron (MLP) a fuzzy ARTMAP neuronová síť. První metoda se příliš nepoužívá v senzorice plynů. Druhá metoda je velmi výhodná pro její rychlé a efektivní učení. Metoda MLP nedokázala dobře rozlišit etanol od acetonu a měla stejný problém jako PCA. S fuzzy ARMAP neuronovou sítí bylo dosaženo nejlepšího rozpoznávání; přestože problém s rozpoznáním směsí s amoniakem přetrvával, nebyl tak výrazný jako u první metody. Z těchto důvodů byla poslední metoda vyhodnocena jako nejúspěšnější. B

B

Vedle aktivní vrstvy SnO2 byla též testována vrstva z WO3 a výsledky publikovány v [2.f], jak bylo zmíněno výše. V této práci byly oba materály aktivních vrstev dopovány drahými kovy jako Pt, Pd a Au pro jejich katalytické vlastnosti. Proces dopování probíhal formou impregnace nanoprášku výchozího aktivního materiálu (zde SnO2 a WO3) v roztoku chloridu daného kovu, kyseliny chlorovodíkové a dusičné. Následnou neutralizací, odpařením a kalcinací při teplotě 350 °C byl získán nanoprášek, kde každá částice oxidu byla v podstatě potažena velmi tenkou vrstvou požadovaného kovu. Z tohoto materiálu byla poté vytvořena pasta na bázi terpineolu jako organického nosiče. Tisk byl proveden ve 4 krocích, takže každý snímač na čipu měl jinou aktivní vrstvu. Výpal pasty byl stejný jako v předchozí práci, tj. při teplotě 600 °C pro zajištění dobré adheze a vyhoření organického nosiče. Senzory byly testovány v plynech, které se mohou vyskytovat ve skladech ovoce a zeleniny jako amoniak, etylen a etanol. Sumarizované výsledky lze shrnout do dvou závěrů: 1) Vrstva WO3 pracující při teplotě 450 °C vykazuje vysokou citlivost na amoniak a žádnou na etylen, vrstva SnO2 dopovaná Pt má výbornou odezvu na etanol při teplotě 350 °C a etylen při teplotě 450 °C. SnO2 doponovaná Pd měla při teplotě 450 °C dobrou citlivost na amoniak a etylen. 2) Mikrosenzor pro monitorování skladování ovoce by sestával ze 4 čidel, přičemž jedno by mělo vrstvu WO3, dvě SnO2 dopované Pt pracující při rozdílných teplotách a jednu s SnO2 doponovanou Pd. Vyhodnocení by se provádělo neuronovou sítí. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Práce [2.g] porovnává aktivní vrstvy s nanočásticemi SnO2 vytvořenými sítotiskem a reaktivním r.f. magnetonovým naprašováním na miniaturním senzoru se čtyřmi „micro-hotplates“. Odezvy obou typů vrstev byly přibližně stejné, ale s pomocí diskriminační metody založené na fuzzy ARTMAP bylo dosaženo lepšího rozpoznávání směsí u naprašovaných vrstev. Také tyto vrstvy dosahovaly nižší citlivosti na vlhkost oproti tištěným vrstvám. B

B

Studium WO3 dopovaného indiem a jeho vliv na citlivost v plynech bylo publikováno v [2.h]–[2.i]. V první práci bylo ukázáno, že množství dopovaného india dobře koresponduje se B

B

15

skutečností a že indium difundovalo do nanočástic WO3. Velikost nanočástic ve vrstvě se v průměru pohybovala kolem 43–49 nm a nanočástice se vyskytovaly ve dvou monoklinických fázích po výpalu v 600 °C. Analýza též ukázala, že vrstvy neobsahují nežádoucí chlór, jenž byl součástí impregnačního procesu. Výsledky měření v plynech ukázaly schopnost čistého WO3 detekovat NO2 při nízké teplotě 100 °C. Indiem dopovaný WO3 byl schopen selektivně detekovat NO2 při teplotě 200 °C a CO při 300 °C. V druhé práci byly rentgenovou difrakční analýzou (XRD) analyzovány vzorky vrstev WO3 dopované Ag, In a Bi. U čistého materiálu WO3 tvořeného nanočásticemi byly opět potvrzeny dvě krystalografické fáze. Vliv dopantů se projevoval v rozdílném fázovém poměru. Indium způsobovalo zvyšování parametrů krystalu WO3 při zvyšování koncentrace, zatímco u Bi a Ag tento vliv nebyl pozorován. Sintrovací teplota ovlivnila výslednou velikost krystalů WO3 z 42 nm u nanoprášku na 64 nm po sintrování. Indium tento růst nijak neovlivnilo, naopak u Ag byl vliv nárůstu velikosti krystalů pozorován. U Bi byl pouze pozorován ojedinělý růst krystalů do velikostí 200 nm. Pomocí EDX analýzy bylo porovnáno množství dopantů v zakladním materiálu, což u Bi a In potvrdilo očekávané množství použité pro dopování, ale u Ag bylo skutečné množství nalezené ve vrstvě podstatně nižší. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

3.3 Nový hydrodynamický elektrochemický systém využívající mikrosenzory Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Prasek, J., Adamek, M., Hubalek, J., Adam, V., Trnkova, L., Kizek, R.: New Hydrodynamic Electrochemical Arrangement for Cadmium Ions Detection Using Thick-Film Chemical Sensor Electrodes. Sensors 2006 6 (11). p. 1498–1512. Cílem práce je eliminovat potřebu rtuťové kapkové elektrody, protože miniaturní 3elektrodový systém nemůže pracovat s tímto tekutým kovem. Z těchto důvodů se zkoušejí různé materiály pro přípravu pracovních elektrod, které se využívají v TLV mikrosenzorech. Pro tento účel byly zvoleny jako nejvhodnější materiály zlato, uhlík, případně uhlíkové nanotrubky. V práci [3.a] je popsán nový hydrodynamický systém nahrazující rotační elektrodu rotujícím roztokem kolem vloženého senzoru s elektrodami (pracovní uhlíková, referentní AgCl, pomocná platinová), protože mikrosenzor je celý realizován na pevné destičce a je snadno vyměnitelný oproti rotační diskové elektrodě, kterou miniaturizovat takto jednoduše nelze. Výsledky měření ukazují, že oproti jiným způsobům průtoku kapaliny přes použité mikroelektrody se s navrženým systémem dosahuje až 3–4× větší odezvy na přídavky roztoku CdCl2 než u ostatních zkoumaných systémů (míchaný a nemíchaný roztok, peristaltické čerpadlo, mikroprůtokový systém). Dále bylo provedeno měření kademnatých iontů v roztoku a s navrženým systémem bylo dosaženo detekčního limitu 500 nmol/l. B

B

3.4 Senzory pro detekci některých biologicky zajímavých látek 3.4.1

Naftochinony

Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Babula, P., Húska, D., Adam, V., Hubálek, J., Kizek, R.: Flow Injection Analysis Coupled with Carbon Electrodes as the Tool for Analysis of Naphthoquinones with Respect to Their Content and Functions in Biological Samples. Sensors 2006, p. 1466–1482.

16

Naftochinony jsou látky přírodního původu; ve většině případů se jedná o barevné pigmenty rostlin [28]. V buňkách jsou deponovány ve vakuolách, kde jsou rozpuštěny ve formě glykosidů [57]. Biosyntéza naftochinonů probíhá šesti možnými biosyntetickými cestami; některé jsou charakteristické pro určité čeledi nebo pouze rody rostlin. Bylo zjištěno, že základním prekurzorem biosyntézy většiny naftochinonů je kyselina šikimová [58]. Naftochinony se používají už po tisíciletí v tradičním lidovém léčitelství. Napomáhají při léčbě některých druhů rakovinných onemocnění, revmatoidní artritidě, bolestivé menstruaci a také při léčbě otoků a zhmožděnin, ke zmírnění bolestí zubů, poruch trávení, průjmech a různých kožních chorobách, k léčbě ekzémů, oparů či vředů, infekčních onemocněních dýchacích cest a dokonce proti syfilis a parazitózám. Práce [4.a] je postavena na nutnosti zkoumat cytopatologické účinky naftochinonů v buněčných kulturách. Bylo testováno analytické určení tří základních naftochinonů (juglon, plumbagin, lawson) za využití TLV senzorů. Přestože se podařilo najít vhodnou a senzitivní metodu stanovení pomocí rtuťové kapkové elektrody, pro miniaturizaci je nutné zládnout metodiku i na jiné pracovní elektrodě. To se podařilo u uhlíkové elektrody a následně pomocí tištěného TLV senzoru s polymerní uhlíkovou pracovní elektrodou. Doba akumulace naftochnonů na TLV byla stanovena jako optimální po 100 s pro získání nejlepší elektrochemické odezvy. Limity detekce naftochinovů byly stanoveny z 3× větší úrovně než úroveň odstupu signál šum (S/N) a byly od 0,15 do 0,35 µg/ml. Ukázalo se, že po jemném obroušení elektrody za použití mikroprášku aluminy a oplachu ji bylo možné opětovně použít pro další analýzu s velmi dobře reprodukovatelnými výsledky. Analýz jednou elektrodou bylo možné provést celkem 5 a relativní chyba stanovení nepřesáhla 5 %. 3.4.2

Ureáza

Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Hubálek, J., Hradecký, J., Adam, V., Kryštofová, O., Húska, D., Masařík, M., Trnková, L., Horna, A., Klosová, K., Adámek, M., Zehnálek, J., Kizek, R.: Spectrometric and Voltammetric Analysis of Urease: Nickel Nanoelectrode as an Electrochemical Sensor. Sensors 2007, 7, p. 1238–1255. V roce 1926 byl izolován enzym z Cannavalia enzyformis (Fabacae) štěpící močovinu na amoniak a oxid uhličitý a byl označen jako ureáza [59]. U vyvíjejících se embryí rostlin byl popsán vysoce aktivní izoenzym ureázy. Bylo zjištěno, že enzym vykazuje absolutní substrátovou specifitu, což znamená, že hydrolyzuje pouze močovinu a nereaguje s žádnou jinou strukturně podobnou sloučeninou [60]. Je známo, že bakterie produkují aktivní ureázu, což se u řady z nich využívá pro jejich identifikaci. Nedávno se však tuto vlastnost podařilo prokázat u bakterie rodu Helicobacter pylori (způsobuje záněty žaludku a vyvolává vznik žaludečních vředů) [61]. Většina metod pro stanovení ureázy je založena na studiu její enzymové aktivity nepřímo, tedy rozkladem močoviny [62]. V nedávné době byly uveřejněny práce, které umožňují vysoce senzitivní stanovení proteinů pomocí elektrochemických technik [63]. A také jsou využívány nové materiály s unikátními fyzikálně-chemickými vlastnostmi jako např. nanomateriály [64]. Cílem práce [4.b] bylo analyzovat enzym ureázu pomocí elektroanalytických technik a studovat vliv niklu na změnu elektrochemické odpovědi enzymu. Možnosti interakce proteinu s niklem bylo využito pro navržení jednoduchého senzoru s niklovými nanočásticemi. Protože ureáza je závislá na přítomnosti niklu, byla zkoumána závislost, která ukázala, že v přítomnosti Ni byly výšky píku o 11,5 % vyšší. Schopnost enzymu vázat Ni byla využita u elektrody s nanotyčin-

17

kami vytvořenými deponováním niklu. Měření s vytvořenými nanoelektrodami ukázala výraznou odezvu na denaturovanou ureázu oproti nativnímu enzymu. 3.4.3

Metalothionein

Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Petrlová, J., Křížková, S., Zítka, O., Hubálek, J., Průša, R., Adam, V., Wang, J., Beklová, M., Sures, B., Kizek, R.: Utilizing a chronopotentiometric sensor technique for metallothionein determination in fish tissues and their host parasites. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 127, p. 112–117. Metalothionein (MT) byl objeven v roce 1957 jako kovy vázající sirný protein [65]. Je známa různá afinita k jednotlivým iontům kovů, které mohou představovat až 20 % hmotnosti metalothioneinu. Metalothioneiny byly rozděleny nejdříve do tří tříd. Třída I jsou MT vyskytující se u různých savčích druhů. Třída II jsou všechny ostatní proteinové MT nepatřící do třídy I. Do třídy III byly zařazeny metaloisopolypeptidy obsahující gamaglutamyl-cysteinovou jednotku. Základní obecnou vlastností je nízká molekulová hmotnost, vysoký obsah kovů, charakteristický aminokyselinový obsah (vysoký obsah cysteinů, nízký obsah aromatických aminokyselinových zbytků). Bylo navrženo několik MT rodin na základě charakteristické sekvence genů. Sekvenční podobnost však často není dostatečná, a proto byla navržena definice klanu. Klany sdružují MT podle jiných vlastností, tj. obecné struktury, termodynamických vlastností a kovy vázajících skupin. Využití elektrochemické detekce a určení hladiny metalothioneinu u vybraných druhů živočichů v krevním séru bylo cílem práce [4.c]. Byly zkoumány interakce tří těžkých kovů Pb(II), Cd(II), Cu(II) a Ag(I). Detekce MT je založena na metodě vypracované R. Kizekem (2001) [66]. Bylo zjištěno, že zvyšování koncentrace MT způsobovalo posun potenciálu píku, který byl nejmenší u Cd(II), u Cu(II) a Pb(II) byl kolem 100 mV. Zvyšováním koncentrace kovů v roztoku bylo prokázáno – vlivem spotřeby kovů, navázáním na MT, že největší afinitu má MT k Cd, pak Ag, Cu a nakonec k Pb, protože v přítomnosti Pb iontů došlo k nejmenšímu snížení MT píku v odezvě elektrody. Přítomnost MT byla zkoumána v gonádě, slezině, játrech a svalech živočichů. Koncentrace MT v gonádě a svalech byla v souladu s koncentrací Pb(II). Podaří-li se na základě těchto výsledků vytvořit mikrosenzor provádějící tuto metodiku, mohlo by se měření těžkých kovů přenést z profesionální laboratoře do běžných podmínek nespecializovaných laboratoří, tedy mezi širší veřejnost. 3.4.4

Glutathion

Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Zítka, O., Húska, D., Křížková, S., Adam, V., Grace, C., Trnková, L., Horna, A., Hubálek, J., Kizek, R.: An Investigation of Glutathione-Platinum(II) Interactions by Means of the Flow Injection Analysis Using Glassy Carbon Electrode. Sensors 2007, 7, p. 1256–1270. Byl objeven M.J. de Rey Pailhate na konci 19 století jako hydrogenáza síry. Hopkins zjistil, že se jedná o tripeptid kyseliny glutamové, cysteinu a glycinu [67]. Tento thiol má funkci intraa extrabuněčného ochranného antioxidantu. Poměr mezi jeho redukovanou a oxidovanou formou slouží jako marker oxidačního stresu [68]. Podobně jako u metalothioneinu jeho přítomnost sni-

18

žuje účinnost cytostatik založených na kovech, hlavně nejběžněji užívané cis-platiny. Studium interakcí tohoto thiolu s cis-platinou může pomoci zvýšit účinnost cytostatik v boji proti nádorům. V práci [4.d] bylo studováno chování různých glutathionů a interakce s cis-platinou. Pro elektrochemické stanovení bylo použito tištěné uhlíkové pracovní elektrody vhodné pro miniaturizaci elektrody. Optimální pH pro měření bylo v acetátovém pufru kolem 3. Navíc byla provedena analýza glutathionu v průtokovém uspořádání (flow injection analysis; FIA-ED). FIA-ED analýza byla uskutečněna na pracovní elektrodě ze skelného uhlíku v elektrochemické cele za vysokého tlaku. Optimální průtok mobilní fáze byl v rozsahu 0,4–1,5 ml/min. Z experimentálních dat byly sestrojeny hydrodynamické voltamogramy a určen nejvhodnější detekční potenciál. Měření za amperometrických podmínek bylo realizováno při napětí 850 mV. Za těchto podmínek byla odezva uhlíkové elektrody nejvyšší. Detekční limit pro GSH byl dosažen na úrovni 100 pg/ml, což představuje vysokou citlivost senzoru s danou metodou. Navíc bylo možné pomocí uvedené detekční techniky sledovat interakce mezi GSH a cis-platinou. 3.5 Nanostrukturované elektrody pro chemické senzory Výsledky byly uveřejněny v publikacích: Hrdý, R., Hubálek, J.: Using a Porous Alumina Film as a Mask for Formation of Ordered Nanostructures by Deposition Technique. Acta Metallurgica Slovaca. 13(2), p. 155–158. Klosová, K., Hubálek, J.: Fabrication of Nickel Nanowires and Nanotubes by TemplateBased Electrodeposition Method. Acta Metallurgica Slovaca. 2007, 13(2), p. 117–120. Práce [5.a] pojednává o možnosti nelitografického vytváření pravidleně uspořádané nanostruktury využívající anodizované aluminy. U anodizace čistého hliníku byla objevena za určitých podmínek schopnost samouspořádání pórů při růstu amorfní keramiky. Tohoto jevu je v práci využito k vytvoření masky, která by měla sloužit ke galvanickému vytváření kovových nanostruktur. Miniaturizace využívá vrstvové technologie, proto se práce zabývá vytvořením tenké vrstvy Al a následné anodizace. Přestože je u Al folie technika perfektně zvládnuta, u tenkých vrstev přináší řadu problémů, jako jsou velké krystaly u naprašovaných vzorků, protože časy depozice jsou dlouhé nebo špatná adheze v případě termického napařování. Výsledky ukazují, že porézní struktury lze dosáhnout, ale uspořádanost je zatím špatná. Z výsledků bylo odvozeno, že naprašovaný hliník by nemusel být tak silný, stačil by o tloušťce 1 µm, což by zmenšilo krystaly ve vrstvě. Lze i kombinovat naprašování a napařování, čímž se zlepší oba parametry vrstvy čistého hliníku. V práci [5.b] je nanoporézní maska již využita pro galvanické vyplňování nanopórů vyredukovanými kovy. V těchto experimentech bylo využito komerčního anodisku přichyceného k elektrodě a Wattovy niklovací lázně. Výsledky ukazují, že ovlivněním pH a koncentrace roztoku lze vytvořit selektivně nanotyčinky nebo nanotrubičky. Tyto výsledky zatím nejsou plnně uspokojivé, protože vedle nanotrubiček se často vytvářejí i tyčinky. Je zřejmé, že faktorů, které ovlivňují růst, je vedle velikosti nanopórů, pH a koncentrace roztoku více, ale dosud jejich vliv nebyl prokázán. Nanotrubičky vzhledem ke svému povrchu by umožnily větší zvětšení plochy než nanotyčinky, ale mají ještě další význam vzhledem k aplikaci, a tím je vlastní pór. Póry v paramagnetických nanotrubičkách by mohly např. sloužit jako nosiče léčiv v medicíně magneticky naváděné do cílového místa působení.

19

4 Literatura [1] Král, V. a kol.: Malý encyklopedický slovník, ACADEMIA, Praha, 1972. [2] Vrba, R., Hubálek, J., Adámek, M.: Mikrosenzory a mikromechanické systémy. Elektronická skripta FEKT VUT v Brně, 2004. [3] Rieger, P. H.: Electrochemistry. New Jersey, Prentice-Hall, Inc., A Division of Simon & Schuster, Englewood Cliffs, 1987. p. 17 [4] Agnew, J.: Thick Film Technology, Hayden Book Co., New Persey (1973). [5] Harper, C. A.: Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics, McGraw-Hill, New York, (1974) [6] Haskard, M. R., Pitt, K.: Thick-Film Technology and Applications, Electrochemical Publications, British Isles (1997). [7] Prudenziati, M.: Thick Film Sensors, Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier Science; 1 edition (August 26, 1994). [8] Berry, R., Hall, P., Harris, M.: Thin Film Technology Princeton, NJ: D. Van Nostrand Co., Inc. (1968). [9] Maissel, L., Glang, R.: Handbook of Thin Film Technology, Mcgraw-Hill (June 1970). [10] Eishabini-Riad, A., Barlow, F. D.: Thin Film Technology Handbook, McGraw-Hill Professional; 1 edition (November 1, 1997). [11] Kenneth, J. A., Schröter, W.: Handbook of Semiconductor Technology, Volumes 1–2, John Wiley & Sons (2000). [12] Kenneth, J. A., Jackson, E.: Handbook of Semiconductor Technology, Volume 2, Quality Resources; 1 edition (2000). [13] Gad-el-Hak, M.: The MEMS Handbook, CRC; 1 edition (September 27, 2001). [14] Yurish, S. Y., Gomes, M. T. S. R.: Smart Sensors and MEMS, Springer Verlag, January, 2005. [15] Leondes, C. T.: MEMS/NEMS:(1)–(5), Springer; 1st ed. (2006). [16] Lyshevski, S. E.: MEMS and NEMS: Systems, Devices, and Structures, CRC; 1 edition (January 18, 2002). [17] Ivanov, P.: Design, Fabrication and Characterization of Thick-film Gas Sensors, PhD thesis, Universitat Rovira i Virgili, 2004. [18] PWM Outputs Enhance Sensor-Signal Conditioners, Maxim Integrated Products Application Note 1860, http://www.maxim-ic.com/an1860, Jan 24, 2003. [19] Rodger, R.: Sensor Interface & Calibration Solutions, iSensors, http://archives.sensorsmag.com/isensors/dec00/34/index.htm, December 2000. [20] EIA-232 Description, Interfacebus.com, http://www.interfacebus.com/Design_Connector _RS232.html, 2007.

20

[21] USB Description, Interfacebus.com, http://www.interfacebus.com/Design_Connector_ USB.html, 2007. [22] CAN Bus Description, Interfacebus.com, http://www.interfacebus.com/Design_ Connector_CAN.html, 2007. [23] GPIB Description [IEEE488], Interfacebus.com, http://www.interfacebus.com/Design_ Connector_GPIB.html, 2007. [24] Ethernet Description, Interfacebus.com, http://www.interfacebus.com/Design_Connector _Ethernet.html, 2007 [25] Kang Lee. IEEE 1451: A Standard in Support of Smart Transducer Networking. IEEE Instrumentation and Measurement Technology conference Baltimore, MD USA, May 1–4, 2000. [26] Yurish, S. Y., Gomes, M. T. S. R.: Smart Sensors and MEMS, Springer; 1 edition (April 29, 2005). [27] Hubálek, J.: Chemical Microsensors – Precise conductivity measurements using planar electrodes, PhD thesis, Brno University of Technology, 2003. [28] Nahalka, J., Blanarik, P., Gemeiner, P., Matusova, E., Partlova, I.: J. Biotechnol. 1996, 49,

153. [29] Obrien, P. J.:Chem. Biol. Interact. 1991, 80, 1. [30] Babula, P., Mikelova, R., Potesil, D., Adam, V., Kizek, R., Havel, L., Sladky, Z.: Biomed.

Papers. 2005, 149, 25. [31] Sumner, J. B.: The isolation and crystallization of the enzyme urease. J. Biol. Chem. 1926, 69, 435–441 [32] Zehnalek, J., Adam, V., Kizek, R.: Assimilation of nitrate, ammonium and amide nitrogen by agricultural crops. Chemicke Listy 2006, 100, 508–514. [33] Robotis, J.: Two rapid urease tests comparison (CLO Vs PRONTO DRY) for the detection of HP infection. Gastroenterology 2003, 124, A176-A177. [34] Tripathi, R. N., Nath, N., Gandhi, A. P.: Studies on the quality of canned baked soybeans. J. Food Sci. Technol.-Mysore 2004, 41, 131–134. [35] Kizek, R., Trnková, L., Palecek, E.: Determination of metallothionein at the femtomole level by constant current stripping chronopotentiomentry. Anal. Chem. 2001, 73, 4801–4807. [36] Huang, X. J., Choi, Y. K.: Chemical sensors based on nanostructured materials. Sens. Actuator B-Chem. 2007, 122, 659–671. [37] Margoshes, M., Vallee B. L. A. (1957): A cadmium protein from equine kidney cortex. J. Am. Chem. Soc., 79: 4813–4814. [38] Kizek, R. et al.: Determination of matallothionein at the femtomole level by constant current stripping chronopotentiometry, Anal. Chem. 73 (2001) 4801–4807. [39] Hopkins, F. G.: On an autoxidisable constituent of the cell. Biochem. J. 1921, 15, 286-305. [40] Locigno, R.; Castronovo, V.: Reduced glutathione system: Role in cancer development, prevention and treatment (Review). Int. J. Oncol. 2001, 19, 221–236.

21

Abstrakt Práce pojednává o stavu vědění v oblasti miniaturizace elektrochemických senzorů, které jsou předmětem výzkumu v Laboratoři mikrosenzorů na Ústavu mikroelektroniky FEKT VUT v Brně od roku 1997. Předkládá soubor publikovaných prací v recenzovaných časopisech komentovaných v kapitole „Výsledky s komentářem“, jejichž abstrakty jsou součástí přílohy. Zabývá se výsledky v oblasti konduktometrických senzorů pro kapalné roztoky a plyny, amperometrickými a voltametrickými senzory v oblasti detekce těžkých kovů, biosenzorů některých zajímavých látek a využitím nanotechnologií v jejich konstrukci.

Abstract The work describes a state of art in area of electrochemical sensors miniaturization, which has been research objectives of „Laboratory of Microsensors and Nanotechnologies“ at Department of Microelectronics, FEEC BUT in Brno since 1997. The files of published works printed in reviewed journals, which abstrakt are presented in Appendix, are discused in chapter „Výsledky s komentářem“. The results of conductometric sensors for solutions and gases, amperometric and voltammetric sensors for heavy metal detection, biosensors of some interesting matters, and nanotechnology using in its construction are objectives of discusion.

22

5 Příloha 1.a Hubálek, J., Krejčí, J.: Correction Factors of IDEs for Precise Conductivity Measurements. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 91, p. 46–51. Abstract Thick-film Pt interdigitated electrodes (IDEs) are used as miniature and cheap chemical sensor for widespread use as conductivity-based transducer. The planar sensor has been characterised by a precise impedance analyser over a wide range of frequencies and conductivities. The frequency characteristics have been studied to describe the electrode behaviour, and for comparison with theory. We found relations between conductivity and frequency. The ridge frequency was detected as suitable measuring frequency to improve accuracy. Extracted relations can be used as correction characteristics. The correction factor was determined for wide range of conductivity to take precise measurements without cell replacement. 2.a Ivanov, P., Llobet, E., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Correig, X.: A route toward more selective and less humidity sensitive screen-printed SnO2 and WO3 gas sensitive layers. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 100, p. 221–227. Abstract We have studied the effect of adhesion promoters (bismuth and copper oxides) on the gas sensing properties of screen-printed tin and tungsten oxide sensors. The gas-sensitive pastes were prepared by mixing either tin or tungsten oxide powders with an organic vehicle based on therpineol. Two different additives to enhance the adhesion of the active films to the substrate (Bi2O3 or Bi2O3 + Cu2O) were included in the paste composition. The films that resulted after printing and firing have high porosity and excellent adherence. Morphology studies have shown that the films have well-defined microstructure and gas sensitivity studies have shown that additives, not only help in promoting film adhesion, but also modify the response of the sensors. Their sensitivity at different operating temperatures was evaluated for ammonia, nitrogen dioxide, ethanol, benzene, carbon monoxide, methane and water vapour. It was found that WO3 sensors containing Bi2O3 and Cu2O were always more sensitive to ammonia and, that WO3 sensors containing Bi2O3 only were more sensitive to nitrogen dioxide when operated at 250 °C. The reaction paths that explain the sensitivity changes observed by the inclusion of Cu2O in tungsten oxide sensors are introduced and discussed. 2.b Bittencourt, C., Llobet, E., Ivanov, P., Correig, X., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Pireaux, J., Calderer, J.: Influence of the doping method on the sensitivity of Pt-doped screen-printed SnO2 sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 97, p. 67–73. Abstract In this work, we study the influence of the introduction method of Pt atoms on the sensitivity to traces of ethanol of Pt-doped SnO2 sensors. The tin oxide films were obtained by a screenprinting process. Two different methods were employed to introduce Pt atoms on SnO2 films. In the first one, the Pt atoms were added to the screen-printed tin oxide layer by using RF magnetron

23

sputtering and a subsequent thermal treatment. The second method consisted of mixing SnO2 and Pt pastes before the screen-printing process. The different active layers (including un-doped tin oxide) were carefully examined relative to their sensitivity to ethanol at different working temperatures. Sensors prepared by the second method showed sensitivity to ethanol four times higher than one of the sensors prepared by the first method and 12 times higher than un-doped sensors. XPS and scanning electron microscopy (SEM) measurements showed that this behaviour could be associated with the spatial distribution of the doping elements within the tin oxide film. While in Pt-sputtered sensors most of the Pt atoms were found at the surface of the active layer, for the sensors made by mixing Pt and SnO2 pastes, a homogeneous distribution of the Pt atoms was observed. These sensors show high sensitivity and fast response time to ethanol vapours, with a detection limit in the ppb range. 2.c Ivanov, P., Llobet, E., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Correig, X.: Development of high sensitivity ethanol gas sensors based on Pt-doped SnO2 surfaces. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 99, p. 201–206. Abstract This paper describes how thick-film technology was used to fabricate small, robust, sensitive, and selective semiconductor metal oxide (SMO) sensors to detect traces of ethanol vapours in air. The sensing parameters of several active layers were studied including: sensitivity, response repeatability, stability and selectivity. The response to different species of five differently doped SnO2 sensors and a commercially available one were measured at concentrations between 1 ppb and 1000 ppm. Interaction was extremely high when ethanol came into contact with the Ptdoped SnO2 surface. The change in resistance of the Pt-doped sensors was between 2 and 55 times higher than the change in the commercial one. The Pt-doped SnO2 material is less resistant, more sensitive and shows faster response to ethanol than pure SnO2. Since the detection limit for ethanol is at sub-ppb level, the fabricated sensors could be used for alcoholmeters or for on-line monitoring and controlling the concentration of ethanol in fruit ripening storage chambers. 2.d Hubálek, J., Malysz, K., Prášek, J., Vilanova, X., Ivanov, P., Llobet, E., Brezmes, J., Correig, X., Svěrák, T.: Pt-loaded Al2O3 catalytic filters for screen-printed WO3 sensors highly selective to benzene. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 101, p. 277–283. Abstract We describe the fabrication of low-cost benzene sensors by using screen-printing technology. Two different types of catalytic filters were developed to enhance the sensitivity of tungsten oxide films to benzene. The first type of filter consists of a porous Al2O3 layer, loaded with a Pt layer on its surface. The second type of filter is based on a porous Al2O3 layer, with Pt homogeneously distributed in its bulk. These filters were used to coat WO3-based sensors. The presence of by-products resulting from the incomplete catalytic combustion of benzene in the catalytic filters (that could further interact with the WO3 film), explains the higher sensitivity of the coated sensors, as compared with the sensitivity of bare tungsten oxide sensors. In particular, it is shown that a very selective benzene sensor can be obtained by combining a coated and uncoated tungsten oxide sensor. This combined sensor, selectively detects benzene in a wide concentration range in the presence of interfering species such as ethanol, ammonia, nitrogen dioxide and water vapour.

24

2.e Llobet, E., Ivanov, P., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Gracia, I., Cané, C., Correig, X.: Screen-printed nanoparticle tin oxide films for high-yield sensor systems. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 96, p. 94–104. Abstract By means of a screen-printing technique, sensitive layers of nanopowder tin oxide were deposited on silicon micromachined substrates. The thickness of the sensing layers was 5 µm and particle size was around 40 nm. Each chip contains four thin silicon nitride membranes, on the centre of which a polysilicon heating resistor, insulating layers, platinum electrodes and sensitive layer are stacked. Unlike in previously reported works, the technological procedure reported here allows the deposition of the sensing layers before the membranes have been etched. This avoids damaging the membranes during film deposition, which leads to gas sensor microsystems with an excellent fabrication yield. The deposition method overcomes disadvantages such as low porosity and low surface area, generally associated to chemical vapour deposition (CVD) or sputtering methods, and keeps power consumption low (80 mWfor a working temperature of 480 °C). As an example, the sensor response to ethanol, acetone and ammonia vapours and their binary mixtures was studied. The sensors were very sensitive to ammonia vapours. The influences of the sensor operating temperature and the electrode geometry were also investigated. By using an integrated array of four microsensors operated at two different temperatures and a fuzzy ARTMAP neural network, it was possible to identify the different species measured (success rate was higher than 91%). It was also possible to determine the concentration of the samples with a success rate higher than 84%. These results confirm the viability of the technique introduced to obtain micromachined sensors and sensor microsystems suitable for battery-powered gas/vapour monitors. 2.f Ivanov, P., Llobet, E., Stankova, M., Vilanova, X., Hubálek, J., Correig, X.: Towards a microsystem for monitoring ethylene in warehouses. Sensors and Actuators B: Chemical. 2005, 111– 112, p. 63–70. Abstract By means of an adapted screen-printing technique, sensitive layers of tin and tungsten oxide (pure and doped with 1% in weight of Au, Pt and Pd) were deposited on silicon micromachined substrates with low thermal inertia. Each chip contains four membranes with different active layers. The sensor response to ethylene, ethanol, ammonia and their binary mixtures was studied. The sensor reaction to humidity was also investigated. A 4-element microsensor array is designed (by selecting the active materials and noble metal loading) to selectively detect ethylene, ethanol, ammonia and their binary mixtures. It is shown that these species can be easily discriminated, even at low concentrations (1 ppm), which makes the microarray designed suitable to monitor climacteric fruit during storage in warehouses or storage chambers. 2.g Stankova, M., Ivanov, P., Llobet, E., Brezmes, J., Vilanova, X., Gracia, I., Cané, C., Hubálek, J., Malysz, K., Correig, X.: Sputtered and screen-printed metal oxide-based integrated microsensor arrays for the quantitative analysis of gas mixtures. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 103(1–2), p. 23–30

25

Abstract Either by screen-printing or sputtering, sensitive layers of tin oxide were deposited on silicon micromachined substrates (four-element integrated microarrays). The procedures allow the depositions of sensing layers before membranes have been etched, which leads to gas microsensors with an excellent fabrication yield. The response of the different microarrays to ethanol, acetone and ammonia vapours and their binary mixtures was studied. The influence of ambient humidity was also investigated. By using an integrated array of four integrated microsensors operated at two different temperatures and a fuzzy ARTMAP neural network, it was possible to simultaneously identify and quantify the different species (success rate was 100%). These results confirm the viability of the techniques introduced to obtain micromachined sensors suitable for battery-powered gas/vapour monitors. 2.h Khatko, V., Llobet, E., Vilanova, X., Hubalek, J., Malysz, K., Correig, X.: Gas sensing properties of nanoparticle indium-doped WO3 thick films. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 111–112, p. 45–51. Abstract The gas sensing properties of pure and indium-doped nanoparticleWO3 thick films were studied. Sensors were prepared using commercial WO3 nanopowders and powder mixtures with different concentrations of In (1.5, 3.0 and 5.0 wt. %). The gas sensing properties of the sensors to nitrogen dioxide, carbon monoxide, ammonia and ethanol were investigated. It was observed that the pure nanoparticle WO3 sensing layers began to react with nitrogen oxide at room temperature. These sensors had maximum sensitivity to NO2 at 100 °C. The indium-doped WO3-based sensors were selective to NO2 and CO at 200 and 300 °C, respectively. A mechanism for such behaviour is discussed. 2.i Khatko, V., Guirado, F., Hubálek, J., Llobet, E., Correig, X.: X-ray investigations of nanopowder WO3 thick films. Physica status solidi, 2005, 202, p. 1973–1979. Abstract Nanoparticle tungsten trioxide thick films based on commercial WO3 nanopowder and powder mixtures with different concentrations of metals (Ag, In and Bi) were prepared by screenprinting onto alumina substrates. The changes in phase composition, crystallite size and cell parameters induced in tungsten trioxide thick films by the inclusion of metal impurities were investigated by X-ray diffraction (XRD). Some of the samples were further analysed using a high temperature XRD method. 3.a Prasek, J., Adamek, M., Hubalek, J., Adam, V., Trnkova, L., Kizek, R.: New Hydrodynamic Electrochemical Arrangement for Cadmium Ions Detection Using Thick-Film Chemical Sensor Electrodes. Sensors, 2006, 6(11), p. 1498–1512. Abstract Miniaturization and integration of chemical devices into modules that are dimensionally comparable with electronic chips (Lab on Chip) is nowadays developing worldwide. The aim of our work was to suggest and optimize the best conditions for fabrication of TFT sensor due to its

26

sensitivity and low experimental deviations. New electrochemical analytical device was developed to ensure certain known mass transport to electrodes, which is the most limiting process that influencing the response quality of the sensor. The device consists from rotating conic vessel for measured sample and stick-in thick-film sensor. The sensors responses were tested under trace analysis of cadmium. Measurements were done also with the others electrochemical arrangements to compare with the new one. The sensor output current response dependence on the liquid velocity and geometrical arrangement within using standard electrochemical couple of potassium ferrocyanide-ferricyanide is presented. We found out that the new device with controlled flow of electrolyte to sensor worked properly and gave satisfactory results. 4.a Babula, P., Húska, D., Adam, V., Hubálek, J., Kizek, R.: Flow Injection Analysis Coupled with Carbon Electrodes as the Tool for Analysis of Naphthoquinones with Respect to Their Content and Functions in Biological Samples. Sensors, 2006, p. 1466–1482. Abstract Naphthoquinones are one of the groups of secondary metabolites widespread in nature, where they mostly appear as chromatic pigments. They embody broad-range of biological actions from phytotoxic to fungicidal. An anticancer effect of naphthoquinones stimulates an interest in determination and characterization of single derivatives of 1,2- and 1,4-quinones in biological samples. The main aim of this work was to suggest a technice suitable to determine lawsone, juglone and/or plumbagin in biological samples and to study of their influence on BY-2 tobacco cells. The BY-2 tobacco cells were cultivated in the presence of the naphthoquinones of interest (500 µg.l-1) for 24 h and then the morphological changes were observed. We found out that naphthoquinones triggered the programmed cell death at BY-2 cells, which can be confirmed by the apoptotic bodies in nucleus. After that we suggested and optimized different electrochemical techniques such differential pulse voltammetry (DPV) coupled with hanging mercury drop (HMDE) and carbon paste electrode, micro flow device coupled with carbon screen printed electrodes and flow injection analysis coupled with Coulochem III detector to determine them. The detection limits of naphthoquinones of interest were expressed as 3S/N and varied from units to hundreds of ng per millilitres according to methods used. Moreover, we utilized DPV coupled with HMDE and micro flow device to determine content of juglone in leaves Persian walnut (Juglans regia). We determined that the leaves contained juglone tenths of g per 100 g of fresh weight. The results obtained show the convincing possibilities of using of these methods in analysis of plant secondary metabolites. 4.b Hubálek, J., Hradecký, J., Adam, V., Kryštofová, O., Húska, D., Masařík, M., Trnková, L., Horna, A., Klosová, K., Adámek, M., Zehnálek, J., Kizek, R.: Spectrometric and Voltammetric Analysis of Urease: Nickel Nanoelectrode as an Electrochemical Sensor. Sensors, 2007, 7, p. 1238–1255. Abstract Urease is the enzyme catalyzing the hydrolysis of urea into carbon dioxide and ammonia. This enzyme is substrate-specific, which means that the enzyme catalyzes the hydrolysis of urea only. This feature is a basic diagnostic criterion used in the determination of many bacteria species. Most of the methods utilized for detection of urease are based on analysis of its enzyme activity – the hydrolysis of urea. The aim of this work was to detect urease indirectly by spectrometric method and directly by voltammetric methods. As spectrometric method we used is

27

called indophenol assay. The sensitivity of detection itself is not sufficient to analyse the samples without pre-concentration steps. Therefore we utilized adsorptive transfer stripping technique coupled with differential pulse voltammetry to detect urease. The influence of accumulation time, pH of supporting electrolyte and concentration of urease on the enzyme peak height was investigated. Under the optimized experimental conditions (0.2 M acetate buffer pH 4.6 and accumulation time of 120 s) the detection limit of urease evaluated as 3 S/N was 200 ng/ml. The activity of urease enzyme depends on the presence of nickel. Thus the influence of nickel(II) ions on electrochemical response of the enzyme was studied. Based on the results obtained the interaction of nickel(II) ions and urease can be determined using electrochemical methods. Therefore we prepared Ni nanoelectrodes to measure urease. The Ni nanoelectrodes was analysed after the template dissolution by scanning electron microscopy. The results shown vertically aligned Ni nanopillars almost covered the electrode surface, whereas the defekt places are minor and insignificant in comparison with total electrode surface. We were able to not only detect urease itself but also to distinguish its native and denatured form. 4.c Petrlová, J.; Křížková, S.; Zítka, O.; Hubálek, J.; Průša, R.; Adam, V.; Wang, J.; Beklová, M.; Sures, B.; Kizek, R., Utilizing a chronopotentiometric sensor technique for metallothionein determination in fish tissues and their host parasites. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 127, p. 112 – 117 Abstract Metallothionein (MT) are a class of intracellular proteins possessing cysteine-rich and heavy metal-binding properties. They can be utilized as biomarkers for the detection and assessment of heavy metals in environmental pollution. This paper addresses the development of a sensor technique suitable for the determination of MT in the tissue samples of perches and their parasites. The work suggest a heavy metal biosenzor based on interaction of heavy metals (lead(II), cadmium(II), copper(II) and silver(I)) with MT using adsorptive transfer stripping (AdTS) technice in combination with chronopotentiometric stripping analysis. The samples were investigated with various heavy metals (lead(II), cadmium(II), copper(II) and silver(I)), prior to sensor applications to understand the interaction between MT and the metals. The results obtained from this experiment clearly show that cadmium(II) had the highest affinity for MT followed by silver(I), copper(II) and lead(II). Based on these results, we attempted to quantify MT content with respect to content of a heavy metal in the samples of interest. The highest re-evaluated concentration of MT (495 ng/g of fresh weight) was determined in samples of Acanthocephalus anguillae. 4.d Zítka, O., Húska, D., Křížková, S., Adam, V., Grace, C., Trnková, L., Horna, A., Hubálek, J., Kizek, R.: An Investigation of Glutathione-Platinum(II) Interactions by Means of the Flow Injection Analysis Using Glassy Carbon Electrode. Sensors, 2007, 7, p. 1256–1270. Abstract Despite very intensive research in the synthesising of new cytostatics, cisplatin is still one of the most commonly used anticancer drugs. Therefore, an investigation of interactions of cisplatin with different biologically important amino acids, peptides and proteins is very topical. In the present paper, we utilized flow injection analysis coupled with electrochemical detection to study and characterize the behaviour of various forms of glutathione (reduced glutathione – GSH, oxidized glutathione – GSSG and S-nitroso glutathione – GSNO). The optimized conditions were

28

as follows: mobile phase consisted of acetate buffer (pH 3) with a flow rate of 1 mL min-1. Based on results obtained we chose 850 mV as the optimal potential for detection of GSH and 1,100 mV as the optimal potential for detection of GSSG and GSNO. The detection limits of GSH, GSSG and GSNO were 100 pg mL-1, 50 ng mL-1 and 300 pg mL-1, respectively. Further, the optimized technique was used for investigation of interactions between cisplatin and GSH. We were able to observe the interaction between GSH and cisplatin via decrease in the signal corresponding to glutathione. Moreover, we evaluated the formation of the complex by spectrometry. The spectrometric results obtained were in good agreement with electrochemical ones. 5.a Hrdý, R., Hubálek, J.: Using a Porous Alumina Film as a Mask for Formation of Ordered Nanostructures by Deposition Technique. Acta Metallurgica Slovaca. 13(2), p. 155–158. Abstract The porous alumina attracts attention because of its self-ordering and formation regular hexagonal structures. It can be used as a template to form nano-structures for many devices such as magnetic, electronic and optoelectronic ones. The main aim of this method is to prepare a mask for electrodepositing nanowires directly on the Si substrate. In comparison with the beam lithography, the presented technique is low-cost technology for microelectronic industry. Anodic porous alumina has been prepared by an anodization process in several electrolytes and characteristics of the pore structures have been studied under different anodizing conditions. The thickness of the aluminum film for anodization was 1-2 µ. Two methods were used for deposition of aluminum thin film on Si substrate, namely thermal evaporating and sputtering. The prepared alumina structures have pore diameters from 15 to 30 nm, with interpore distances from 30 to 110 nm. The anodization of thin alumina film deposited on Si substrate is a much more complicated process in comparison with anodization of an aluminium sheet, the advantage of this method consists in stability of the prepared structure and a simple manipulation in subsequent operations. 5.b Klosová, K., Hubálek, J.: Fabrication of Nickel Nanowires and Nanotubes by Template-Based Electrodeposition Method. Acta Metallurgica Slovaca. 2007, 13(2), p. 117–120. Abstract The procedure of creating nanostructures consists in using a nanoporous non-conductive template which is coated with conductive layer on one of its sides. During the electrodeposition process, the metal is growing only on the conductive layer (representing cathode) and fills up the nanopores. After dissolving the template, nanostructures are obtained. Either nanotubes or nanowires (nanorods) can be produced by this method. The type of the structure can be influenced mainly by ultrasound waves, the nanopores diameter, and the pH. The width and the density of created nanostructures are given by the template. The length of nanostructures depends on amount of deposited metal, thus the required length of nanostructures can be achieved if the current density and the time of electrodeposition are adequate. In the case of plating through template, only diffusion as a way of mass transport is effective because of the nanosize of the pores. It is also assumed that in this case, a series of two diffusion layers exist. A quasi spherical diffusion layer is added on top of a linear diffusion layer. In order for the plating process to be the most effective the limiting current density has to be determined.

29

The created nanostructures are examined by scanning electron microscopy (SEM). The identification of nanotubes is sometimes troublesome because of the resemblance to insufficiently dissolved alumina template.

30