Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, Łódź

Transkrypt

1 Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, Łódź Dr Paweł Krzyczmonik Łódź, marzec

2 Plan wykładu Tranzystor polowy MSFET Tranzystor jonoczuły ISFET Chemicznie modyfikowany tranzystor polowy (CHEMFET) Gazowe sensory potencjometryczne Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne Sensory z detekcją amperometryczną Sensory z detekcją konduktometryczną

3 Tranzystor polowy MSFET (Metal xide Semiconductor Field Effect Transistor ) 3

4 Tranzystor jonoczuły ISFET (Ion-Sensitive Field Effect Transistor ) Bramka z Si 2 Si - +H + +H SiH + SiH -H + -H + 2 Podobne sensory z bramką z Al 2 3, Si 3 N 4, Ta 2 5 MEMFET (membrane FET) tranzystor jonoczuły z membraną jonoczułą (z jonoforem). 4

5 Chemicznie modyfikowany tranzystor polowy (CHEMFET) (Chemically Modified FET ) Membrana Warstwa hydrożelu polyhema - hydroksyetylometakrylan Bramka Si 2 5

6 CHEMFET - struktura chemiczna H H H + (Me) 3 Si(CH 2 ) 3 C()C(CH 3 ) CH 2 Si(CH 2 ) 3 C()C(CH 3 ) CH 2 HEMA CH Chlorek 3 metakryloilu Si CH 2 Si polyhema C()-CH 2 CH 2 H C()C(CH 3 ) CH 2 CH 3 fotopolimeryzacja polisiloksan Si polyhema (CH 2 C)n C()(CH 2 ) 3 CH 3 CH 3 Si Si Si n m p CH 3 CH 3 (CH 2 ) 3 CN 6

7 CHEMFET - struktura chemiczna - przykład CN CH 3 CH 3 CH 3 Et H Si Si Si H Et - Et BPH NH 4 Na + CH 3 CH 3 (CH 2 ) 3 (CH 2 ) 3 C CH 3 C C CH 2 C CH 2 C CH 2 C CH 2 C CH 3 p-hema CH 3 Polisiloksanowa membrana z pochodną kaliks[4]arenu i solą sodową tetraffluoroboranową wykorzystywana jako warstwa do konstrukcji długożyciowego CHEMFETa na jony potasowe. 7

8 Gazowe sensory potencjometryczne Elektrody Severinghausa C 2 + H 2 HC 3 + H + ac P 2 C2 H 2 ph ah a Ka a ah a HC3 K a A HC C a P 2 H 2 C log PC 2 Jeśli stężenie elektrolitu wew c HC =0.1 mol/l K * a ph A a P * H C 2 log P C 2 8

9 Gazowe sensory potencjometryczne Elektrody Severinghausa- inne przykłady znaczany gaz Reakcja równowagi Wew. elektroda NH 3 NH 3 + H 2 NH 4+ + H - xnh 3 + M n+ M(NH 3 ) x n+ S 2 S 2 + H 2 H + + HS 3 - H + H + M=Ag +, Cu 2+ N 2 2N 2 + H 2 N 3- + N H + H +, N 3 - H 2 S H 2 S + H 2 H + + HS - S 2- HCN Ag(CN) 2- Ag + + 2CN - Ag + HF HF H + + F - F - FeF 2-x x FeF 3-y y + (x-y)f - Pt (redoks) Cl 2 Cl 2 + H 2 2H + + Cl - + Cl - H + C 2 C 2 + H 2 H + + HC 3 - H + 9

10 Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne A (gaz) ± e A ± Met stała aktywność X ± przewodnik jonów X ± AX, badana aktywność A ± gaz A, Met. pracowano wysokotemperaturowe sensory do oznaczania następujących gazów: 2,,Cl 2,C/C 2,S 2 /S 3,N 2,I 2,H 2 S, H 2 10

11 Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne Sonda lambda Sonda wzięła swoją nazwę od litery lambda (λ), której używa się do oznaczania stosunku powietrza do paliwa w mieszance. Mieszanka jest idealna (stechiometryczna) jeśli w mieszance jest dokładnie tyle powietrza, ile potrzeba do całkowitego spalenia danej ilości paliwa. Przykładowo, dla benzyny stosunek ten wynosi około 14.7 (masa powietrza) : 1 (masa paliwa). Sensor pracuje w temp o C, w tych warunkach jony tlenu mają wystarczającą ruchliwość. Pt, 2 (ref.) Zr 2, Y (analit) Pt ½ 2 + e ½ 2 - E RT P 2 ln F P 2 próbka ( ref.) 11

12 Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne Wysokotemperaturowy sensor do oznaczania chloru Ag AgCl SrCl 2, KCl, Cl 2 (próbka) Ru 2 elektroda elektrolit elektroda odniesienia wskaźnikowa Elektroda odniesienia: Cl 2 + 2e 2Cl - Elektroda wskaźnikowa: Ag Ag + + e 12

13 Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne Przykład komercyjnego sensora do oznaczania tlenu 2, Pt Zr2 Li2C3 BaC3 Au, C2 powietrze e C2 2 4e 2 4Li 2 Li C 2 2Li C2 Li2C3 2 3 E E o RT 2F ln p C 2 temp 900K 2 2Li Zr2 Li2Zr3 13

14 Sensory z detekcją amperometryczną W sensorach amperometrycznych wykorzystuje się układy elektrochemiczne zdolne do odwracalnych reakcji elektrodowych. I = nfamc analitu Jeśli m=const. to prąd płynący przez elektrody jest proporcjonalny do stężenia analitu. 14

15 Sensory z detekcją amperometryczną Elektroda Clarka (właściwie ogniwo Clarka) E = 0,5 1.0 V Anoda: 4Ag + 4Cl - 4AgCl + 4e Katoda: 2 + 2H 2 + 4e 4H - Na bazie elektrody Clarka stworzono sensory do oznaczania: H 2 S, N, N 2, Cl 2, C

16 Sensory z detekcją amperometryczną Sensory stałoelektrolitowe (temp. pracy o C) 2 + 2e + 2 V

17 Sensory z detekcją konduktometryczną Przewodnik powierzchniowy warstwa receptorowa Przewodnik objętościowy Sensor z grzaniem Przewodnik powierzchniowy grzałka chemirezystor z cienką warstwą złota Warstwa receptorowa : Sn 2, Ti 2, Zr 2. 17

18 Sensory z detekcją konduktometryczną Konduktometryczne elektrody Severinghausa Detekcja C 2 C 2 + H 2 HC 3 + H + T<100s K a = Detekcja S 2 H 2 S 3 HS- 3 + H + K a =

19 Literatura 1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, Sensory chemiczne, ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki Miniaruryzacjia w analityce, ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa J. Janata, Principles of Chemical Sensors, Springer, wyd. 2, P. Gründler, Chemical Sensors, An Introduction for Scientists and Engineers, Springer, P. N. Bartlett (ed.), Bioelectrochemietry, fundamentals, experimental techniques and applications, Willey & Sons, W. Szczepaniak, Metody Instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, W-wa A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary Springer,

20 Dziękuje za uwagę 20