stringtranslate.com

Химирезистор

Упрощенная схема хемирезистивного датчика с одним зазором. (не в масштабе)

Химирезистор — это материал, который меняет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения в окружающей химической среде. [1] Химирезисторы — это класс химических сенсоров, которые основаны на прямом химическом взаимодействии между чувствительным материалом и аналитом. [2] Чувствительный материал и аналит могут взаимодействовать посредством ковалентной связи , водородной связи или молекулярного узнавания . Несколько различных материалов обладают свойствами хемирезистора: полупроводниковые оксиды металлов , некоторые проводящие полимеры [3] и наноматериалы, такие как графен , углеродные нанотрубки и наночастицы . Обычно эти материалы используются в качестве частично селективных датчиков в таких устройствах, как электронные языки или электронные носы .

Базовый хемирезистор состоит из чувствительного материала, который перекрывает зазор между двумя электродами или покрывает набор встречно-штыревых электродов . Сопротивление между электродами можно легко измерить . Чувствительный материал обладает собственным сопротивлением, которое можно модулировать присутствием или отсутствием аналита. Во время воздействия аналиты взаимодействуют с чувствительным материалом. Эти взаимодействия вызывают изменения показаний сопротивления. В некоторых хемирезисторах изменения сопротивления просто указывают на присутствие аналита. В других случаях изменения сопротивления пропорциональны количеству присутствующего аналита; это позволяет измерить количество присутствующего аналита.

История

Еще в 1965 году появились сообщения о полупроводниковых материалах, электропроводность которых сильно зависит от окружающих газов и паров. [4] [5] [6] Однако только в 1985 году Вольтьен и Сноу ввели термин «хемирезистор» . [7] Хеморезистивным материалом, который они исследовали, был фталоцианин меди , и они продемонстрировали, что его удельное сопротивление уменьшается в присутствии паров аммиака при комнатной температуре. [7]

В последние годы технология хемирезисторов использовалась для разработки многообещающих датчиков для многих применений, включая датчики из проводящего полимера для пассивного курения, датчики на основе углеродных нанотрубок для газообразного аммиака и датчики из оксидов металлов для газообразного водорода. [2] [8] [9] Способность хемирезисторов предоставлять точную информацию об окружающей среде в режиме реального времени с помощью небольших устройств, требующих минимального потребления электроэнергии, делает их привлекательным дополнением к Интернету вещей . [8]

Типы хемирезисторных датчиков

Кислородочувствительная пленка TiO 2 на встречно-штыревом электроде. [10]

Архитектуры устройств

Химирезисторы можно изготовить путем покрытия встречно-штыревого электрода тонкой пленкой или использования тонкой пленки или другого чувствительного материала для перекрытия единственного зазора между двумя электродами. Электроды обычно изготавливаются из проводящих металлов, таких как золото и хром, которые обеспечивают хороший омический контакт с тонкими пленками. [7] В обеих архитектурах химически стойкий чувствительный материал контролирует проводимость между двумя электродами; однако каждая архитектура устройства имеет свои преимущества и недостатки.

Взаимно-штыревые электроды позволяют большей площади поверхности пленки контактировать с электродом. Это позволяет выполнить больше электрических соединений и увеличивает общую проводимость системы. [7] Встречно-штыревые электроды с размером пальцев и расстоянием между ними порядка микрона сложны в изготовлении и требуют использования фотолитографии . [8] Более крупные детали легче изготовить, и их можно изготовить с использованием таких методов, как термическое испарение. Как встречно-штыревые электроды, так и системы с одним зазором могут быть расположены параллельно, чтобы обеспечить обнаружение нескольких аналитов с помощью одного устройства. [11]

Чувствительные материалы

Полупроводниковые оксиды металлов

Металлооксидные хемирезисторные датчики были впервые коммерциализированы в 1970 году [12] в детекторе угарного газа , в котором использовался порошкообразный SnO 2 . Однако существует множество других оксидов металлов, обладающих хемирезистивными свойствами. Датчики оксидов металлов — это, прежде всего, датчики газов, и они могут обнаруживать как окислительные , так и восстановительные газы. [2] Это делает их идеальными для использования в промышленных условиях, где газы, используемые в производстве, могут представлять угрозу безопасности работников.

Для работы датчиков, изготовленных из оксидов металлов, требуются высокие температуры (200 °C или выше), поскольку для изменения удельного сопротивления необходимо преодолеть энергию активации . [2]

Монослой графена. [13]

Графен

По сравнению с другими материалами графеновые хемирезисторные датчики являются относительно новыми, но показали отличную чувствительность. [14] Графен — это аллотроп углерода, состоящий из одного слоя графита . [15] Он использовался в датчиках для обнаружения молекул паровой фазы, [16] [17] [18] pH, [19] белков, [19] бактерий, [20] и имитации боевых отравляющих веществ. [21] [22]

Углеродные нанотрубки

Первый опубликованный отчет об использовании нанотрубок в качестве хемирезисторов был сделан в 2000 году. [23] С тех пор проводились исследования хемирезисторов и химически чувствительных полевых транзисторов, изготовленных из отдельных одностенных нанотрубок , [24] пучков одностенных нанотрубок, [25] [26] пучки многостенных нанотрубок , [27] [28] и смеси углеродных нанотрубок и полимеров. [29] [30] [31] [32] Было показано, что химическое вещество может изменять сопротивление пучка одностенных углеродных нанотрубок посредством нескольких механизмов.

Углеродные нанотрубки являются полезными сенсорными материалами, поскольку они имеют низкие пределы обнаружения и быстрое время отклика; однако датчики из голых углеродных нанотрубок не очень избирательны. [2] Они могут реагировать на присутствие множества различных газов, от газообразного аммиака до паров дизельного топлива. [2] [9] Датчики из углеродных нанотрубок можно сделать более селективными, используя полимер в качестве барьера, легируя нанотрубки гетероатомами или добавляя функциональные группы на поверхность нанотрубок. [2] [9]

Круглые встречно-штыревые электроды с пленкой хемирезистора из золотых наночастиц и без нее.

.

Наночастицы

В хемирезисторные датчики включено множество различных наночастиц разного размера, структуры и состава. [33] [34] Наиболее часто используются тонкие пленки наночастиц золота, покрытые самоорганизующимися монослоями (SAM) органических молекул. [35] [36] [37] [38] [39] SAM имеет решающее значение для определения некоторых свойств сборки наночастиц. Во-первых, стабильность наночастиц золота зависит от целостности SAM, которая предотвращает их спекание . [40] Во-вторых, SAM органических молекул определяет расстояние между наночастицами, например, более длинные молекулы приводят к тому, что наночастицы имеют более широкое среднее расстояние между наночастицами. [41] Ширина этого разделения определяет барьер, через который электроны должны туннелировать при приложении напряжения и протекании электрического тока. Таким образом, определяя среднее расстояние между отдельными наночастицами, SAM также определяет удельное электрическое сопротивление совокупности наночастиц. [42] [43] [44] Наконец, SAM образуют матрицу вокруг наночастиц, в которую могут диффундировать химические вещества . Когда новые химические соединения попадают в матрицу, это меняет разделение между частицами, что, в свою очередь, влияет на электрическое сопротивление. [45] [46] Аналиты диффундируют в SAM в пропорциях, определяемых их коэффициентом распределения , и это характеризует селективность и чувствительность материала хемирезистора. [41] [47]

Полимеризация полимера вокруг целевой молекулы, которая затем вымывается, оставляя после себя сформированные полости.

Проводящие полимеры

Проводящие полимеры , такие как полианилин и полипиррол, можно использовать в качестве чувствительных материалов, когда мишень напрямую взаимодействует с полимерной цепью, что приводит к изменению проводимости полимера. [8] [48] Этим типам систем не хватает селективности из-за широкого спектра целевых молекул, которые могут взаимодействовать с полимером. Молекулярно отпечатанные полимеры могут повысить селективность проводящих полимерных хемирезисторов. [49] Полимер с молекулярным отпечатком получают путем полимеризации полимера вокруг целевой молекулы и последующего удаления целевой молекулы из полимера, оставляя после себя полости, соответствующие размеру и форме целевой молекулы. [48] ​​[49] Молекулярный импринтинг проводящего полимера увеличивает чувствительность хемирезистора за счет выбора общего размера и формы мишени, а также ее способности взаимодействовать с цепью проводящего полимера. [49]

Рекомендации

  1. ^ Флоринель-Габриэль Баника, Химические сенсоры и биосенсоры: основы и приложения , John Wiley and Sons, Чичестер, 2012, глава 11, печатный ISBN  978-0-470-71066-1 ; Интернет -ISBN 0-470710-66-7 ; ISBN 978-1-118-35423-0 .  
  2. ^ abcdefg Ханна, ВК (2012). Наносенсоры: физические, химические и биологические . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4398-2712-3.
  3. ^ «Хемирезистор - Химические микросенсоры - Микросенсоры и сенсорные микросистемы (MSTC)» . Архивировано из оригинала 17 декабря 2014 г. Проверено 17 декабря 2014 г.
  4. ^ Дж. И. Брегман и А. Дравниекс. Обнаружение поверхностных эффектов, 1965: Спартанский.
  5. ^ Ф. Гутман и LE Lyons Organic Semiconductors, 1967: Wiley
  6. ^ Розенберг, Б.; Мисра, Теннесси; Свитцер, Р. (1968). «Механизм обонятельной трансдукции». Природа . 217 (5127): 423–427. Бибкод : 1968Natur.217..423R. дои : 10.1038/217423a0. PMID  5641754. S2CID  4157172.
  7. ^ abcd Вольтьен, Х.; Баргер, WR; Сноу, AW; Джарвис, Нидерланды (1985). «Чувствительный к пару хемирезистор, изготовленный из плоских микроэлектродов и органической полупроводниковой пленки Ленгмюра-Блоджетта». IEEE Транс. Электронные устройства . 32 (7): 1170–1174. Бибкод : 1985ITED...32.1170W. дои : 10.1109/T-ED.1985.22095. S2CID  44662151.
  8. ^ abcd Лю, Юань; Антви-Боампонг, Садик; БельБруно, Джозеф Дж.; Крейн, Марди А.; Тански, Сюзанна Э. (1 сентября 2013 г.). «Обнаружение пассивного сигаретного дыма через никотин с использованием проводящих полимерных пленок». Исследования никотина и табака . 15 (9): 1511–1518. дои : 10.1093/ntr/ntt007. ISSN  1462-2203. ПМЦ 3842131 . ПМИД  23482719. 
  9. ^ abc Азарелли, Джозеф М.; Мирика, Кэтрин А .; Равнсбек, Йенс Б.; Свагер, Тимоти М. (23 декабря 2014 г.). «Беспроводное обнаружение газа с помощью смартфона через радиочастотную связь». Труды Национальной академии наук . 111 (51): 18162–18166. Бибкод : 2014PNAS..11118162A. дои : 10.1073/pnas.1415403111 . ISSN  0027-8424. ПМК 4280584 . ПМИД  25489066. 
  10. ^ Ван, Х.; Чен, Л.; Ван, Дж; Сан, К.; Чжао, Ю. (2014). «Микродатчик кислорода на основе тонкой пленки нанозоль-геля TiO2». Датчики . 14 (9): 16423–33. Бибкод : 2014Senso..1416423W. дои : 10.3390/s140916423 . ПМК 4208180 . ПМИД  25192312. 
  11. ^ Ван Гервен, Питер; Лорейн, Вим; Лорейс, Вим; Хайберехтс, Гвидо; Оп де Бек, Маайке; Баерт, Крис; Сульс, Ян; Сансен, Вилли; Джейкобс, П. (25 июня 1998 г.). «Наноразмерные встречно-штыревые электродные матрицы для биохимических сенсоров». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 49 (1–2): 73–80. дои : 10.1016/S0925-4005(98)00128-2.
  12. ^ Аб Уилсон, DM; Хойт, С.; Джаната, Дж.; Букш, К.; Обандо, Л. (2001). «Химические датчики для портативных полевых приборов». Журнал датчиков IEEE . 1 (4): 256–274. Бибкод : 2001ISenJ...1..256W. дои : 10.1109/7361.983465.
  13. ^ Киани, MJ; Харун, ФКК; Ахмади, Монтана; Рахмани, М.; Саидманеш, М.; Заре, М. (2014). «Модуляция проводимости заряженного липидного бислоя с использованием графенового полевого транзистора с электролитным управлением». Наномасштабное Res Lett . 9 (9): 371. Бибкод : 2014NRL.....9..371K. дои : 10.1186/1556-276X-9-371 . ПМЦ 4125348 . ПМИД  25114659. 
  14. ^ Купер, Дж.С.; Майерс, М.; Чоу, Э.; Хаббл, ЖЖ; Пейчич, Б.; и другие. (2014). «Эффективность датчиков хемирезисторов на основе графена, углеродных нанотрубок и наночастиц золота для обнаружения нефтяных углеводородов в воде». Дж. Наночастицы Рез . 16 (1): 1–13. Бибкод : 2014JNR....16.2173C. doi : 10.1007/s11051-013-2173-5. S2CID  97772800.
  15. ^ Рао, CNR; Говиндарадж, А. (2005). Нанотрубки и нанопроволоки . Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85404-832-8.
  16. ^ Шедин, Ф.; Гейм, АК; Морозов С.В.; Хилл, Восток; Блейк, П.; и другие. (2007). «Обнаружение отдельных молекул газа, адсорбированных на графене». Природные материалы . 6 (9): 652–655. arXiv : cond-mat/0610809 . Бибкод : 2007NatMa...6..652S. дои : 10.1038/nmat1967. PMID  17660825. S2CID  3518448.
  17. ^ Джоши, РК; Гомес, Х.; Фара, А.; Кумар, А. (2007). «Графеновые пленки и ленты для измерения O 2 и 100 ppm CO и NO2 в практических условиях». Журнал физической химии C. 114 (14): 6610–6613. дои : 10.1021/jp100343d.
  18. ^ Дэн, Ю.; и другие. (2009). «Собственный отклик датчиков паров графена». Нано-буквы . 9 (4): 1472–1475. arXiv : 0811.3091 . Бибкод : 2009NanoL...9.1472D. дои : 10.1021/nl8033637. PMID  19267449. S2CID  23190568.
  19. ^ аб Оно, Ю.; и другие. (2009). «Графеновые полевые транзисторы с электролитным управлением для определения pH и адсорбции белков». Нано-буквы . 9 (9): 3318–3322. Бибкод : 2009NanoL...9.3318O. дои : 10.1021/nl901596m. ПМИД  19637913.
  20. ^ Моханти, Н.; и другие. (2008). «Биоустройство с разрешением одной бактерии на основе графена и ДНК-транзистор: взаимодействие производных графена с наномасштабными и микромасштабными биокомпонентами». Нано-буквы . 8 (12): 4469–4476. Бибкод : 2008NanoL...8.4469M. дои : 10.1021/nl802412n. ПМИД  19367973.
  21. ^ Робинсон, JT; и другие. (2008). «Молекулярные датчики восстановленного оксида графена». Нано-буквы . 8 (10): 3137–3140. Бибкод : 2008NanoL...8.3137R. CiteSeerX 10.1.1.567.8356 . дои : 10.1021/nl8013007. ПМИД  18763832. 
  22. ^ Ху, Северная Каролина; и другие. (2008). «Газовый сенсор на основе оксида графена, восстановленного п-фенилендиамином». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 163 (1): 107–114. дои :10.1016/j.snb.2012.01.016.
  23. ^ Конг, Дж.; и другие. (2000). «Молекулярные провода нанотрубок как химические сенсоры». Наука . 287 (5453): 622–5. Бибкод : 2000Sci...287..622K. дои : 10.1126/science.287.5453.622. ПМИД  10649989.
  24. ^ Брэдли, К.; и другие. (2003). «Эффекты короткого канала в химических сенсорах на контактно-пассивированных нанотрубках». Прил. Физ. Летт . 83 (18): 3821–3. Бибкод : 2003ApPhL..83.3821B. дои : 10.1063/1.1619222.
  25. ^ Хелблинг, Т.; и другие. (2008). «Подвесные и неподвесные транзисторы из углеродных нанотрубок для измерения NO2 - качественное сравнение». Физический статус Solidi B. 245 (10): 2326–30. Бибкод : 2008PSSBR.245.2326H. дои : 10.1002/pssb.200879599. S2CID  124825726.
  26. ^ Маенг, С.; и другие. (2008). «Высокочувствительная сенсорная матрица NO2 на основе недекорированных монослойных соединений одностенных углеродных нанотрубок». Прил. Физ. Летт . 93 (11): 113111. Бибкод : 2008ApPhL..93k3111M. дои : 10.1063/1.2982428 .
  27. ^ Пенза, М.; и другие. (2009). «Влияние снижения количества мешающих веществ в бинарной газовой смеси на адсорбцию газа NO2 с использованием хемирезисторов на основе сетчатых пленок углеродных нанотрубок». Дж. Физ. Д: Прил. Физ . 42 (7): 072002. Бибкод : 2009JPhD...42g2002P. дои : 10.1088/0022-3727/42/7/072002. S2CID  98541592.
  28. ^ Ван, Ф.; и другие. (2011). «Разнообразные хемирезисторы на основе ковалентно модифицированных многостенных углеродных нанотрубок». Варенье. хим. Соц . 133 (29): 11181–93. дои : 10.1021/ja201860g. hdl : 1721.1/74235 . ПМИД  21718043.
  29. ^ Бекярова, Э.; и другие. (2004). «Химически функционализированные одностенные углеродные нанотрубки как датчики аммиака». Дж. Физ. хим. Б.​ 108 (51): 19717–20. дои : 10.1021/jp0471857.
  30. ^ Ли, Ю.; и другие. (2007). «Характеристики газочувствления N-типа химически модифицированных многостенных углеродных нанотрубок и композита ПММА». Сенсорные приводы, B . 121 (2): 496–500. дои :10.1016/j.snb.2006.04.074.
  31. ^ Ван, Ф.; и другие. (2008). «Хеморезистивные датчики из углеродных нанотрубок и политиофена для боевых отравляющих веществ». Варенье. хим. Соц . 130 (16): 5392–3. дои : 10.1021/ja710795k. ПМИД  18373343.
  32. ^ Вэй, К.; и другие. (2006). «Многофункциональные химические датчики паров ориентированных углеродных нанотрубок и полимерных композитов». Варенье. хим. Соц . 128 (5): 1412–3. дои : 10.1021/ja0570335. ПМИД  16448087.
  33. ^ Франке, Мэн; и другие. (2006). «Наночастицы металлов и оксидов металлов в хемирезисторах: имеет ли значение наноразмер?». Маленький . 2 (1): 36–50. дои : 10.1002/smll.200500261. ПМИД  17193551.
  34. ^ Ибаньес, Ф.Дж.; и другие. (2012). «Хемирезистивное зондирование химически модифицированных наночастиц металлов и сплавов». Маленький . 8 (2): 174–202. дои : 10.1002/smll.201002232. hdl : 11336/5227 . ПМИД  22052721.
  35. ^ Вольтьен, Х.; и другие. (1998). «Коллоидный ансамбль хемирезисторный датчик металл-изолятор-металл». Анальный. Хим . 70 (14): 2856–9. дои : 10.1021/ac9713464.
  36. ^ Эванс, SD; и другие. (2000). «Измерение пара с использованием гибридных органо-неорганических наноструктурных материалов». Дж. Матер. Хим . 10 (1): 183–8. дои : 10.1039/A903951A.
  37. ^ Джозеф, Ю.; и другие. (2004). «Золотые наночастицы/органические линкерные пленки: самосборка, электронные и структурные характеристики, состав и чувствительность к пару». Фарадеевские дискуссии . 125 : 77–97. Бибкод : 2004FaDi..125...77J. дои : 10.1039/B302678G. ПМИД  14750666.
  38. ^ Ан, Х.; и другие. (2004). «Электрическая проводимость и парочувствительные свойства пленок наночастиц золота, защищенных ω-(3-тиенил)алкантиолом». хим. Мэтр . 16 (17): 3274–8. дои : 10.1021/cm049794x.
  39. ^ Саха, К.; и другие. (2012). «Наночастицы золота в химическом и биологическом зондировании». хим. Преподобный . 112 (5): 2739–79. дои : 10.1021/cr2001178. ПМК 4102386 . ПМИД  22295941. 
  40. ^ Лю, J.last2=; и другие. (2012). «Влияние функционализации поверхности и размера частиц на кинетику агрегации инженерных наночастиц». Хемосфера . 87 (8): 918–24. Бибкод : 2012Chmsp..87..918L. doi :10.1016/j.chemSphere.2012.01.045. ПМИД  22349061.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  41. ^ аб Рагузе, Б.; и другие. (2009). «Датчики хемирезисторов на основе золотых наночастиц в водном растворе: сравнение гидрофобных и гидрофильных пленок наночастиц». Дж. Физ. хим. С.​ 113 (34): 15390–7. дои : 10.1021/Jp9034453.
  42. ^ Террилл, Р.Х.; и другие. (1995). «Монослои в трех измерениях: ЯМР, Саксофон, термические и электронные прыжковые исследования кластеров золота, стабилизированных алкантиолом». Варенье. хим. Соц . 117 (50): 12537–48. дои : 10.1021/ja00155a017.
  43. ^ Вульфинг, WPlast2=; и другие. (2000). «Электронная проводимость твердотельных, смешанновалентных, защищенных монослоем Au-кластеров». Варенье. хим. Соц . 122 (46): 11465–72. дои : 10.1021/ja002367+.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  44. ^ Вельфинг, WP; и другие. (2002). «Прыжок электронов через пленки кластеров золота, защищенных монослоем арентиолата». Дж. Физ. хим. Б.​ 106 (12): 3139–45. дои : 10.1021/jp013987f.
  45. ^ Рагузе, Б.; и другие. (2007). «Датчики хемирезистора на основе золотых наночастиц: прямое обнаружение органических веществ в водном растворе электролита». Анальный. Хим . 79 (19): 7333–9. дои : 10.1021/ac070887i. ПМИД  17722880.
  46. ^ Мюллер, К.-Х.; и другие. (2002). «Перколяционная модель электронной проводимости в пленках наночастиц металлов, связанных органическими молекулами». Физ. Преподобный Б. 66 (7): 75417. Бибкод : 2002PhRvB..66g5417M. doi : 10.1103/Physrevb.66.075417.
  47. ^ Борер, ФИ; и другие. (2011). «Характеристика плотных массивов хемирезисторных датчиков пара с субмикрометровыми характеристиками и узорчатыми интерфейсными слоями наночастиц». Анальный. Хим . 83 (10): 3687–95. дои : 10.1021/ac200019a. ПМИД  21500770.
  48. ^ Аб Хуан, Цзиюнь; Вэй, Чжисян; Чен, Цзиньчунь (25 сентября 2008 г.). «Молекулярные импринтированные полипиррольные нанопроволоки для хирального распознавания аминокислот». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 134 (2): 573–578. дои :10.1016/j.snb.2008.05.038.
  49. ^ abc Антви-Боампонг, Садик; Мани, Кристина С.; Карлан, Джин; БелБруно, Джозеф Дж. (1 января 2014 г.). «Селективный датчик из полимерно-углеродных нанотрубок с молекулярным отпечатком для определения котинина». Журнал молекулярного распознавания . 27 (1): 57–63. дои : 10.1002/jmr.2331. ISSN  1099-1352. PMID  24375584. S2CID  5196220.

Смотрите также