Химирезистор - Chemiresistor

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

А химирезистор это материал, который меняет свой электрическое сопротивление в ответ на изменения в ближайшей химической среде.[1] Химирезисторы - это класс химических сенсоров, которые полагаются на прямое химическое взаимодействие между чувствительным материалом и анализируемым веществом.[2] Чувствительный материал и аналит могут взаимодействовать посредством ковалентная связь, водородная связь, или же молекулярное распознавание. Хеморезисторными свойствами обладают несколько различных материалов: металлооксидные полупроводники, немного проводящие полимеры,[3] и наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки и наночастицы. Обычно эти материалы используются как частично селективные. датчики в таких устройствах, как электронные языки или же электронные носы.

Базовый химиорезистор состоит из чувствительного материала, который перекрывает зазор между двумя электродами или покрывает набор встречно-штыревые электроды. Сопротивление между электродами можно легко измеренный. Чувствительный материал имеет внутреннее сопротивление, которое может модулироваться присутствием или отсутствием аналита. Во время воздействия аналиты взаимодействуют с чувствительным материалом. Эти взаимодействия вызывают изменения в показаниях сопротивления. В некоторых хеморезисторах 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, демонстрирующих электрическую проводимость, на которую сильно влияют окружающие газы и пары.[4][5][6] Однако только в 1985 году Вольтьен и Сноу придумали термин химирезистор.[7] Хемирезистивный материал, который они исследовали, был фталоцианин меди, и они продемонстрировали, что его удельное сопротивление снижается в присутствии паров аммиака при комнатной температуре.[7]

В последние годы хеморезисторная технология использовалась для разработки многообещающих датчиков для многих приложений, включая датчики из токопроводящего полимера для пассивного курения, датчики из углеродных нанотрубок для газообразного аммиака и датчики оксидов металлов для газообразного водорода.[2][8][9] Способность хеморезисторов предоставлять точную информацию об окружающей среде в реальном времени с помощью небольших устройств, требующих минимального количества электроэнергии, делает их привлекательным дополнением к Интернет вещей.[8]

Типы хеморезисторных датчиков

Датчик кислорода TiO2 пленка на встречно-штыревом электроде.[10]

Архитектура устройств

Химирезисторы могут быть изготовлены путем покрытия встречно-штыревого электрода тонкой пленкой или с использованием 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 химостойкий чувствительный материал регулирует проводимость между двумя электродами; однако у каждой архитектуры устройства есть свои преимущества и недостатки.

Встречно-штыревые электроды позволяют большему количеству поверхности пленки контактировать с электродом. Это позволяет сделать больше электрических соединений и увеличивает общую проводимость системы.[7] Встречно-штыревые электроды с размером пальцев и расстоянием между пальцами порядка микрон сложно изготовить и требуют использования фотолитография.[8] Более крупные элементы легче изготовить, и они могут быть изготовлены с использованием таких методов, как термическое напыление. Как встречно-штыревые электроды, так и системы с одним зазором могут быть расположены параллельно, чтобы обеспечить обнаружение нескольких аналитов одним устройством.[11]

Сенсорные материалы

Металлооксидные полупроводники

Оксид металла Хеморезисторные датчики были впервые коммерциализированы в 1970 г.[12] в детектор окиси углерода который использовал порошкообразный SnO2. Однако существует множество других оксидов металлов, обладающих хеморезистивными свойствами. Датчики оксида металла - это в первую очередь датчики газа, и они могут определять оба окисляющий и сокращение газы.[2] Это делает их идеальными для использования в промышленных условиях, где газы, используемые в производстве, могут представлять опасность для безопасности рабочих.

Датчики, изготовленные из оксидов металлов, требуют высоких температур для работы, потому что для изменения удельного сопротивления необходимо преодолеть энергию активации.[2] Для работы типичных металлооксидных газовых сенсоров требуется температура 200 ° C или выше.[2]

Хеморезисторы на основе оксидов металлов[12]
Оксид металлаПары
Оксид хрома-титанаЧАС2S
Окись галлияО2, CO
Оксид индияО3
Оксид молибденаNH3
Оксид оловавосстановительные газы
Оксид вольфрамаНЕТ2
Оксид цинкауглеводороды, О2
Монослой графена.[13]

Графен

По сравнению с другими материалами графен Хеморезисторные датчики являются относительно новыми, но показали отличную чувствительность.[14] Графен - это аллотроп углерода, который состоит из одного слоя графит.[15] Он использовался в датчиках для обнаружения молекул паровой фазы,[16][17][18] pH,[19] белки,[19] бактерии[20] и смоделированные боевые отравляющие вещества.[21][22]

Углеродные нанотрубки

Первый опубликованный отчет нанотрубки в качестве хеморезисторов был произведен в 2000 году.[23] С тех пор проводились исследования хеморезисторов и химически чувствительных полевых транзисторов, изготовленных из индивидуальных однослойные нанотрубки,[24] пучки однослойных нанотрубок,[25][26] связки многослойные нанотрубки,[27][28] и смеси углеродных нанотрубок и полимеров.[29][30][31][32] Было показано, что химические частицы могут изменять сопротивление пучка однослойных углеродных нанотрубок с помощью нескольких механизмов.

Углеродные нанотрубки являются полезными чувствительными материалами, поскольку они имеют низкие пределы обнаружения и быстрое время отклика; однако сенсоры из углеродных нанотрубок не очень избирательны.[2] Они могут реагировать на присутствие множества различных газов, от газообразного аммиака до паров дизельного топлива.[2][9] Датчики с углеродными нанотрубками можно сделать более селективными, если использовать полимер в качестве барьера, легируя нанотрубки гетероатомы, или добавив функциональные группы к поверхности нанотрубок.[2][9]

Круглые встречно-штыревые электроды с хеморезисторной пленкой из наночастиц золота и без нее

.

Наночастицы

Много разных наночастицы различного размера, структуры и состава были включены в хеморезисторные датчики.[33][34] Чаще всего используются тонкие пленки наночастиц золота, покрытые самоорганизующиеся монослои (САМ) 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 не позволяет им спекание вместе.[40] Во-вторых, SAM органических молекул определяет разделение наночастиц, например более длинные молекулы заставляют наночастицы иметь более широкое среднее расстояние.[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 сборки наночастиц.[42][43][44] Наконец, SAM образуют матрицу вокруг наночастиц, которую химические частицы могут размытый в. Когда новые химические соединения попадают в матрицу, это изменяет разделение между частицами, что, в свою очередь, влияет на электрическое сопротивление.[45][46] Аналиты диффундируют в SAM в пропорциях, определяемых их Коэффициент распределения и это характеризует селективность и чувствительность материала хеморезистора.[41][47]

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

Проводящие полимеры

Проводящие полимеры Такие как полианилин и полипиррол могут использоваться в качестве сенсорных материалов, когда мишень непосредственно взаимодействует с полимерной цепью, что приводит к изменению проводимости полимера.[8][48] Этим типам систем не хватает селективности из-за широкого диапазона целевых молекул, которые могут взаимодействовать с полимером. Молекулярно отпечатанные полимеры может повысить селективность химиорезисторов проводящих полимеров.[49] Полимер с молекулярной печатью 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 проводящий полимер увеличивает чувствительность химиорезистора за счет выбора общего размера и формы мишени, а также его способности взаимодействовать с цепочкой проводящего полимера.[49]

Рекомендации

  1. ^ Флоринель-Габриэль Баника, Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение, Джон Вили и сыновья, Чичестер, 2012 г., глава 11, Печать ISBN  978-0-470-71066-1; Интернет ISBN  0-470710-66-7; ISBN  978-1-118-35423-0.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Ханна, В. (2012). Наносенсоры: физические, химические и биологические. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  978-1-4398-2712-3.
  3. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-12-17. Получено 2014-12-17.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  4. ^ Дж. И. Брегман и А. Дравниекс. Обнаружение поверхностных эффектов, 1965: Spartan
  5. ^ Ф. Гутман, Л. Lyons Organic Semiconductors, 1967: Wiley
  6. ^ Розенберг, Б .; Misra, T. N .; Свитцер, Р. (1968). «Механизм обонятельной трансдукции». Природа. 217 (5127): 423–427. Bibcode:1968Натура.217..423R. Дои:10.1038 / 217423a0. PMID  5641754.
  7. ^ а б c d Wohltjen, H .; Barger, W.R .; Snow, A.W .; Джарвис, Н. (1985). «Парочувствительный хеморезистор, изготовленный из плоских микроэлектродов и органической полупроводниковой пленки Ленгмюра-Блоджетт». IEEE Trans. Электронные устройства. 32 (7): 1170–1174. Bibcode:1985ITED ... 32,1170 Вт. Дои:10.1109 / T-ED.1985.22095.
  8. ^ а б c d Лю, Юань; Антви-Боампонг, Садик; BelBruno, Joseph J .; Crane, Mardi A .; Тански, Сюзанна Э. (01.09.2013). «Обнаружение вторичного сигаретного дыма с помощью никотина с помощью проводящих полимерных пленок». Исследования никотина и табака. 15 (9): 1511–1518. Дои:10.1093 / ntr / ntt007. ISSN  1462-2203. ЧВК  3842131. PMID  23482719.
  9. ^ а б c Аззарелли, Джозеф М .; Mirica, Katherine A .; Ravnsbk, Jens B .; Свагер, Тимоти М. (23 декабря 2014 г.). «Беспроводное обнаружение газа со смартфоном по радиосвязи». Труды Национальной академии наук. 111 (51): 18162–18166. Bibcode:2014ПНАС..11118162А. Дои:10.1073 / pnas.1415403111. ISSN  0027-8424. ЧВК  4280584. PMID  25489066.
  10. ^ Wang, H .; Chen, L .; Ван, Дж; Sun, Q .; Чжао, Ю. (2014). «Микросенсор кислорода на основе тонкой нанозоль-гелевой пленки TiO2». Датчики. 14 (9): 16423–33. Дои:10,3390 / с140916423. ЧВК  4208180. PMID  25192312.
  11. ^ Ван Гервен, Питер; Лаурейн, Вим; Лаурис, Вим; Huyberechts, Guido; Op De Beeck, Maaike; Баерт, Крис; Сулс, Ян; Сансен, Вилли; Джейкобс, П. (1998-06-25). «Наноуровневые встречно-штыревые электродные матрицы для биохимических сенсоров». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 49 (1–2): 73–80. Дои:10.1016 / S0925-4005 (98) 00128-2.
  12. ^ а б Wilson, D.M .; Hoyt, S .; Janata, J .; Букш, К .; Обандо, Л. (2001). «Химические датчики для портативных полевых приборов». Журнал датчиков IEEE. 1 (4): 256–274. Дои:10.1109/7361.983465.
  13. ^ Киани, М. Дж .; Harun, F. K. C .; Ахмади, М. Т .; Рахмани, М .; Saeidmanesh, M .; Заре, М. (2014). «Модуляция проводимости заряженного липидного бислоя с помощью графенового полевого транзистора с электролитным затвором». Nanoscale Res Lett. 9 (9): 371. Дои:10.1186 / 1556-276X-9-371. ЧВК  4125348. PMID  25114659.
  14. ^ Купер, Дж. С .; Myers, M .; Chow, E .; Хаббл, Л. Дж .; Pejcic, B .; и другие. (2014). "Характеристики хеморезисторных датчиков графена, углеродных нанотрубок и наночастиц золота для обнаружения нефтяных углеводородов в воде". J. Наночастицы Res. 16 (1): 1–13. Bibcode:2014JNR .... 16.2173C. Дои:10.1007 / s11051-013-2173-5.
  15. ^ Rao, C.N.R .; Говиндарадж, А. (2005). Нанотрубки и нанопроволоки. Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество. ISBN  978-0-85404-832-8.
  16. ^ Щедин, Ф .; Гейм, А.К .; Морозов, С. В .; Hill, E.W .; Blake, P .; и другие. (2007). «Обнаружение индивидуальных молекул газа, адсорбированных на графене». Материалы Природы. 6 (9): 652–655. arXiv:cond-mat / 0610809. Bibcode:2007НатМа ... 6..652С. Дои:10.1038 / nmat1967. PMID  17660825.
  17. ^ Joshi, R.K .; Gomez, H .; Farah, A .; Кумар, А. (2007). «Графеновые пленки и ленты для обнаружения O2, и 100 ppm CO и NO2 в практических условиях ». Журнал физической химии C. 114 (14): 6610–6613. Дои:10.1021 / jp100343d.
  18. ^ Дэн, Y .; и другие. (2009). «Внутренний отклик датчиков паров графена». Нано буквы. 9 (4): 1472–1475. arXiv:0811.3091. Bibcode:2009 НаноЛ ... 9.1472Д. Дои:10.1021 / nl8033637. PMID  19267449.
  19. ^ а б Оно, Й .; и другие. (2009). "Графеновые полевые транзисторы с электролитом для определения pH и адсорбции белка". Нано буквы. 9 (9): 3318–3322. Bibcode:2009NanoL ... 9.3318O. Дои:10.1021 / nl901596m. PMID  19637913.
  20. ^ Mohanty, N .; и другие. (2008). «Основанное на графене биоразлагающее устройство для одной бактерии и ДНК-транзистор: взаимодействие производных графена с наноразмерными и микромасштабными биокомпонентами». Нано буквы. 8 (12): 4469–4476. Bibcode:2008NanoL ... 8.4469M. Дои:10.1021 / nl802412n. PMID  19367973.
  21. ^ Робинсон, Дж. Т .; и другие. (2008). "Восстановленные молекулярные сенсоры оксида графена". Нано буквы. 8 (10): 3137–3140. Bibcode:2008NanoL ... 8.3137R. CiteSeerX  10.1.1.567.8356. Дои:10.1021 / nl8013007. PMID  18763832.
  22. ^ Hu, N.T .; и другие. (2008). «Датчик газа на основе восстановленного оксида графена п-фенилендиамином». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 163 (1): 107–114. Дои:10.1016 / j.snb.2012.01.016.
  23. ^ Kong, J .; и другие. (2000). «Молекулярные нити нанотрубок как химические сенсоры». Наука. 287 (5453): 622–5. Bibcode:2000Sci ... 287..622K. Дои:10.1126 / science.287.5453.622. PMID  10649989.
  24. ^ Брэдли, К .; и другие. (2003). «Короткоканальные эффекты в контактно-пассивированных химических сенсорах из нанотрубок». Appl. Phys. Латыш. 83 (18): 3821–3. Bibcode:2003АпФЛ..83.3821Б. Дои:10.1063/1.1619222.
  25. ^ Helbling, T .; и другие. (2008). «Подвесные и не подвешенные транзисторы из углеродных нанотрубок для датчика №2 - качественное сравнение». Физика Статус Solidi B. 245 (10): 2326–30. Bibcode:2008PSSBR.245.2326H. Дои:10.1002 / pssb.200879599.
  26. ^ Maeng, S .; и другие. (2008). «Высокочувствительная матрица сенсоров no2 на основе однослойных переходов однослойных углеродных нанотрубок без декорирования». Appl. Phys. Латыш. 93 (11): 113111. Bibcode:2008АпФЛ..93к3111М. Дои:10.1063/1.2982428.
  27. ^ Пенза, М .; и другие. (2009). «Влияние восстановления мешающих факторов в бинарной газовой смеси на адсорбцию газа no2 с использованием хеморезисторов на основе сетевых пленок углеродных нанотрубок». J. Phys. D: Прил. Phys. 42 (7): 072002. Bibcode:2009JPhD ... 42g2002P. Дои:10.1088/0022-3727/42/7/072002.
  28. ^ Wang, F .; и другие. (2011). «Разнообразные хеморезисторы на основе ковалентно модифицированных многослойных углеродных нанотрубок». Варенье. Chem. Soc. 133 (29): 11181–93. Дои:10.1021 / ja201860g. HDL:1721.1/74235. PMID  21718043.
  29. ^ Бекярова, Е .; и другие. (2004). «Химически функционализированные одностенные углеродные нанотрубки как сенсоры аммиака». J. Phys. Chem. B. 108 (51): 19717–20. Дои:10.1021 / jp0471857.
  30. ^ Li, Y .; и другие. (2007). «Газочувствительные характеристики N-типа химически модифицированных многослойных углеродных нанотрубок и композита ПММА». Сенсорные приводы, B. 121 (2): 496–500. Дои:10.1016 / j.snb.2006.04.074.
  31. ^ Wang, F .; и другие. (2008). «Хемирезистивные датчики из углеродных нанотрубок / политиофена для боевых отравляющих веществ». Варенье. Chem. Soc. 130 (16): 5392–3. Дои:10.1021 / ja710795k. PMID  18373343.
  32. ^ Wei, C .; и другие. (2006). «Многофункциональные химические сенсоры паров из ориентированных углеродных нанотрубок и полимерных композитов». Варенье. Chem. Soc. 128 (5): 1412–3. Дои:10.1021 / ja0570335. PMID  16448087.
  33. ^ Franke, M.E .; и другие. (2006). «Металлы и наночастицы оксидов металлов в хеморезисторах: имеет ли наноразмерное значение?». Маленький. 2 (1): 36–50. Дои:10.1002 / smll.200500261. PMID  17193551.
  34. ^ Ibañez, F.J .; и другие. (2012). «Химирезистивное зондирование с химически модифицированными наночастицами металлов и сплавов». Маленький. 8 (2): 174–202. Дои:10.1002 / smll.201002232. PMID  22052721.
  35. ^ Wohltjen, H .; и другие. (1998). "Коллоидный ансамбль хеморезисторный датчик металл-изолятор-металл". Анальный. Chem. 70 (14): 2856–9. Дои:10.1021 / ac9713464.
  36. ^ Evans, S.D .; и другие. (2000). «Зондирование паров с использованием гибридных органо-неорганических наноструктурных материалов». J. Mater. Chem. 10 (1): 183–8. Дои:10.1039 / A903951A.
  37. ^ Joseph, Y .; и другие. (2004). «Золотые наночастицы / органические линкерные пленки: самосборка, электронные и структурные характеристики, состав и чувствительность к парам». Фарадеевские дискуссии. 125: 77–97. Bibcode:2004FaDi..125 ... 77J. Дои:10.1039 / B302678G.
  38. ^ Ahn, H .; и другие. (2004). «Электропроводность и парочувствительность пленок наночастиц золота, защищенных ω- (3-тиенил) алкантиолом». Chem. Матер. 16 (17): 3274–8. Дои:10,1021 / см 049794x.
  39. ^ Saha, K .; и другие. (2012). «Наночастицы золота в химическом и биологическом зондировании». Chem. Rev. 112 (5): 2739–79. Дои:10.1021 / cr2001178. ЧВК  4102386. PMID  22295941.
  40. ^ Лю, J.last2 =; и другие. (2012). «Влияние функционализации поверхности и размера частиц на кинетику агрегации созданных наночастиц». Атмосфера. 87 (8): 918–24. Bibcode:2012Чмсп..87..918Л. Дои:10.1016 / j.chemosphere.2012.01.045. PMID  22349061.
  41. ^ а б Raguse, B .; и другие. (2009). «Хеморезисторные датчики с наночастицами золота в водном растворе: сравнение гидрофобных и гидрофильных пленок наночастиц». J. Phys. Chem. C. 113 (34): 15390–7. Дои:10.1021 / Jp9034453.
  42. ^ Terrill, R.H .; и другие. (1995). «Монослои в трех измерениях: Nmr, saxs, тепловые и электронные прыжковые исследования кластеров золота, стабилизированных алкантиолом». Варенье. Chem. Soc. 117 (50): 12537–48. Дои:10.1021 / ja00155a017.
  43. ^ Wuelfing, W.P.last2 =; и другие. (2000). «Электронная проводимость твердотельных, смешанно-валентных, монослойных защищенных кластеров АС». Варенье. Chem. Soc. 122 (46): 11465–72. Дои:10.1021 / ja002367 +.
  44. ^ Wuelfing, W.P .; и другие. (2002). «Прыжок электронов через пленки кластеров золота, защищенных монослоем арентиолата». J. Phys. Chem. B. 106 (12): 3139–45. Дои:10.1021 / jp013987f.
  45. ^ Raguse, B .; и другие. (2007). «Хеморезисторные датчики с наночастицами золота: прямое определение органических веществ в водном растворе электролита». Анальный. Chem. 79 (19): 7333–9. Дои:10.1021 / ac070887i. PMID  17722880.
  46. ^ Müller, K.-H .; и другие. (2002). «Перколяционная модель электронной проводимости в пленках металлических наночастиц, связанных органическими молекулами». Phys. Ред. B. 66 (7): 75417. Bibcode:2002ПхРвБ..66г5417М. Дои:10.1103 / Physrevb.66.075417.
  47. ^ Bohrer, F.I .; и другие. (2011). «Характеристика плотных массивов хеморезисторных датчиков пара с субмикронными характеристиками и структурированными интерфейсными слоями наночастиц». Анальный. Chem. 83 (10): 3687–95. Дои:10.1021 / ac200019a. PMID  21500770.
  48. ^ а б Хуанг, Цзиюн; Вэй, Чжисян; Чен, Джинчунь (25 сентября 2008 г.). «Молекулярные импринтированные полипиррольные нанопроволоки для распознавания хиральных аминокислот». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 134 (2): 573–578. Дои:10.1016 / j.snb.2008.05.038.
  49. ^ а б c Антви-Боампонг, Садик; Mani, Kristina S .; Карлан, Жан; БелБруно, Джозеф Дж. (01.01.2014). «Селективный датчик полимер-углеродных нанотрубок с молекулярной печатью для определения котинина». Журнал молекулярного распознавания. 27 (1): 57–63. Дои:10.1002 / jmr.2331. ISSN  1099-1352. PMID  24375584.

Смотрите также