Химирезистор

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 . Свойствами хемирезистора обладают несколько различных материалов: 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
[ редактировать ]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] Хемирезистивным материалом, 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 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
[ редактировать ]
Архитектуры устройств
[ редактировать ]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.
Встречно-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 элементы 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
[ редактировать ]Полупроводниковые оксиды металлов
[ редактировать ]Датчики с металлоксидным хемирезистором 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 энергию активации . необходимо преодолеть [2]
Оксид металла | Пары |
---|---|
Оксид хрома и титана | Ч 2 С |
Оксид галлия | О 2 , СО |
Оксид индия | OО3 |
Оксид молибдена | NHNH3 |
оксид олова | восстановительные газы |
Оксиды вольфрама | НЕТ 2 |
Оксид цинка | углеводороды , O 2 |

Графен
[ редактировать ]По сравнению с другими материалами графеновые хемирезисторные датчики относительно новы, но показали отличную чувствительность. [14] Графен — это аллотроп углерода, состоящий из одного слоя графита . [15] Его использовали в датчиках для обнаружения молекул паровой фазы. [16] [17] [18] рН, [19] белки, [19] бактерии, [20] и имитацию боевых отравляющих веществ. [21] [22]
Углеродные нанотрубки
[ редактировать ]Первое опубликованное сообщение об нанотрубок в качестве хемирезисторов было сделано в 2000 году. использовании [23] С тех пор были проведены исследования хемирезисторов и химически чувствительных полевых транзисторов, изготовленных из отдельных одностенных нанотрубок . [24] пучки одностенных нанотрубок, [25] [26] пучки многостенных нанотрубок , [27] [28] и смеси углеродных нанотрубок и полимеров. [29] [30] [31] [32] Было показано, что химические соединения могут 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]

.
Наночастицы
[ редактировать ]множество различных наночастиц разного размера, структуры и состава. В хемирезисторные датчики включено [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. [41] Ширина этого разделения определяет барьер, через который должны туннелировать электроны 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 ПАМ в пропорциях, определяемых их коэффициентом распределения , что характеризует селективность и чувствительность материала хемирезистора. [41] [47]

Проводящие полимеры
[ редактировать ]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 недостает 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 получается путем полимеризации полимера вокруг целевой молекулы с последующим удалением 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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Флоринель-Габриэль Баника, Химические сенсоры и биосенсоры: основы и применение , John Wiley and Sons, Чичестер, 2012, глава 11, Печать ISBN 978-0-470-71066-1 ; Интернет ISBN 0-470710-66-7 ; ISBN 978-1-118-35423-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Ханна, ВК (2012). Наносенсоры: физические, химические и биологические . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4398-2712-3 .
- ^ «Хемирезистор – Химические микросенсоры – Микросенсоры и сенсорные микросистемы (МСТС)» . Архивировано из оригинала 17 декабря 2014 г. Проверено 17 декабря 2014 г.
- ^ Дж. И. Брегман и А. Дравниекс. Обнаружение поверхностных эффектов, 1965: Спартанский.
- ^ Ф. Гутман и LE Lyons Organic Semiconductors, 1967: Wiley
- ^ Розенберг, Б.; Мисра, Теннесси; Свитцер, Р. (1968). «Механизм обонятельной трансдукции». Природа . 217 (5127): 423–427. Бибкод : 1968Natur.217..423R . дои : 10.1038/217423a0 . ПМИД 5641754 . S2CID 4157172 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Вольтьен, Х.; Баргер, WR; Сноу, AW; Джарвис, Нидерланды (1985). «Парочувствительный 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с д 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с Аззарелли, 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 .
- ^ Ван, Х.; Чен, Л.; Ван, Дж; Сан, К.; Чжао, Ю. (2014). «Микродатчик кислорода на основе тонкой нанозоль-гель пленки TiO2» . Датчики . 14 (9): 16423–33. Бибкод : 2014Senso..1416423W . дои : 10.3390/s140916423 . ПМК 4208180 . ПМИД 25192312 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ 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 : 2014НРЛ.....9..371К . дои : 10.1186/1556-276X-9-371 . ПМЦ 4125348 . ПМИД 25114659 .
- ^ Купер, Дж. С.; Майерс, М.; Чоу, Э.; Хаббл, ЖЖ; Пейчич, Б.; и др. (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 . дои : 10.1007/s11051-013-2173-5 . S2CID 97772800 .
- ^ Рао, CNR; Говиндарадж, А. (2005). Нанотрубки и нанопроволоки . Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85404-832-8 .
- ^ Щедин, Ф.; Гейм, АК; Морозов С.В.; Хилл, Восток; Блейк, П.; и др. (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 . ПМИД 17660825 . S2CID 3518448 .
- ^ 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 .
- ^ Дэн, Ю.; и др. (2009). «Собственный отклик датчиков паров графена». Нано-буквы . 9 (4): 1472–1475. arXiv : 0811.3091 . Бибкод : 2009NanoL...9.1472D . дои : 10.1021/nl8033637 . ПМИД 19267449 . S2CID 23190568 .
- ^ Перейти обратно: а б Оно, Ю.; и др. (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 .
- ^ Моханти, Н.; и др. (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 .
- ^ Робинсон, Джей Ти; и др. (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 .
- ^ Ху, Северная Каролина; и др. (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 .
- ^ Конг, Дж.; и др. (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 .
- ^ Брэдли, К.; и др. (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 .
- ^ Хелблинг, Т.; и др. (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 .
- ^ Маенг, С.; и др. (2008). «Высокочувствительная сенсорная матрица NO2 на основе недекорированных монослойных соединений одностенных углеродных нанотрубок» . Прил. Физ. Летт . 93 (11): 113111. Бибкод : 2008АпФЛ..93к3111М . дои : 10.1063/1.2982428 .
- ^ Пенза, М.; и др. (2009). «Влияние уменьшения 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 .
- ^ Ван, Ф.; и др. (2011). «Разнообразные хемирезисторы на основе ковалентно модифицированных многостенных углеродных нанотрубок». Дж. Ам. хим. Соц . 133 (29): 11181–93. дои : 10.1021/ja201860g . hdl : 1721.1/74235 . ПМИД 21718043 .
- ^ Бекярова Е.; и др. (2004). «Химически функционализированные одностенные углеродные нанотрубки как датчики аммиака». Дж. Физ. хим. Б. 108 (51): 19717–20. дои : 10.1021/jp0471857 .
- ^ Ли, Ю.; и др. (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 .
- ^ Ван, Ф.; и др. (2008). «Хеморезистивные датчики из углеродных нанотрубок и политиофена для боевых отравляющих веществ». Дж. Ам. хим. Соц . 130 (16): 5392–3. дои : 10.1021/ja710795k . ПМИД 18373343 .
- ^ Вэй, К.; и др. (2006). «Многофункциональные химические датчики паров ориентированных углеродных нанотрубок и полимерных композитов». Дж. Ам. хим. Соц . 128 (5): 1412–3. дои : 10.1021/ja0570335 . ПМИД 16448087 .
- ^ Франке, Мэн; и др. (2006). «Наночастицы металлов и оксидов металлов в хемирезисторах: имеет ли значение наноразмер?». Маленький . 2 (1): 36–50. дои : 10.1002/smll.200500261 . ПМИД 17193551 .
- ^ Ибаньес, Ф.Дж.; и др. (2012). «Хемирезистивное зондирование химически модифицированных наночастиц металлов и сплавов». Маленький . 8 (2): 174–202. дои : 10.1002/smll.201002232 . hdl : 11336/5227 . ПМИД 22052721 .
- ^ Wohltjen, H.; et al. (1998). "Colloidal metal-insulator-metal ensemble chemiresistor sensor". Anal. Chem . 70 (14): 2856–9. doi : 10.1021/ac9713464 .
- ^ Эванс, SD; и др. (2000). «Измерение пара с использованием гибридных органо-неорганических наноструктурированных материалов». Дж. Матер. Хим . 10 (1): 183–8. дои : 10.1039/A903951A .
- ^ Джозеф, Ю.; и др. (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 .
- ^ Ан, Х.; и др. (2004). «Электрическая проводимость и парочувствительные свойства пленок наночастиц золота, защищенных ω-(3-тиенил)алкантиолом». хим. Мэтр . 16 (17): 3274–8. дои : 10.1021/cm049794x .
- ^ Саха, К.; и др. (2012). «Наночастицы золота в химическом и биологическом зондировании» . хим. Преподобный . 112 (5): 2739–79. дои : 10.1021/cr2001178 . ПМК 4102386 . ПМИД 22295941 .
- ^ Лю, J.last2=; и др. (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 ) - ^ Перейти обратно: а б Рагузе, Б.; и др. (2009). «Датчики хемирезистора 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 .
- ^ Террилл, Р.Х.; и др. (1995). «Монослои в трех измерениях: ЯМР, Саксофон, термические и электронные прыжковые исследования кластеров золота, стабилизированных алкантиолом». Дж. Ам. хим. Соц . 117 (50): 12537–48. дои : 10.1021/ja00155a017 .
- ^ Вульфинг, WPlast2=; и др. (2000). «Электронная проводимость твердотельных, смешанновалентных, защищенных монослоем Au-кластеров». Дж. Ам. хим. Соц . 122 (46): 11465–72. дои : 10.1021/ja002367+ .
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Вельфинг, В.П.; и др. (2002). «Прыжок электронов через пленки кластеров золота, защищенных монослоем арентиолата». Дж. Физ. хим. Б. 106 (12): 3139–45. дои : 10.1021/jp013987f .
- ^ Рагузе, Б.; и др. (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 .
- ^ Мюллер, К.-Х.; и др. (2002). «Перколяционная модель электронной проводимости в пленках наночастиц металлов, связанных органическими молекулами». Физ. Преподобный Б. 66 (7): 75417. Бибкод : 2002PhRvB..66g5417M . дои : 10.1103/Physrevb.66.075417 .
- ^ Борер, Ф.И.; и др. (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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с 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 . ПМИД 24375584 . S2CID 5196220 .