Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Uniwersytet Łódzki ul.tamka 12, 91-403 Łódź Dr Paweł Krzyczmonik Łódź, marzec 2014 1
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
Tranzystor polowy MSFET (Metal xide Semiconductor Field Effect Transistor ) 3
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
Chemicznie modyfikowany tranzystor polowy (CHEMFET) (Chemically Modified FET ) Membrana Warstwa hydrożelu polyhema - hydroksyetylometakrylan Bramka Si 2 5
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
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
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 2 3 0.5log 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
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 2- + 2H + 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
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
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. 100-400 o C, w tych warunkach jony tlenu mają wystarczającą ruchliwość. Pt, 2 (ref.) Zr 2, Y 2 3 2 (analit) Pt ½ 2 + e ½ 2 - E RT P 2 ln F P 2 próbka ( ref.) 11
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
Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne Przykład komercyjnego sensora do oznaczania tlenu 2, Pt Zr2 Li2C3 BaC3 Au, C2 powietrze 2 2 2 4e 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
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
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
Sensory z detekcją amperometryczną Sensory stałoelektrolitowe (temp. pracy 400-800 o C) 2 + 2e + 2 V + 2-16
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
Sensory z detekcją konduktometryczną Konduktometryczne elektrody Severinghausa Detekcja C 2 C 2 + H 2 HC 3 + H + T<100s K a =4.4 10-7 Detekcja S 2 H 2 S 3 HS- 3 + H + K a =1.3 10-2 18
Literatura 1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, Sensory chemiczne, ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa 1999. 2. Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki Miniaruryzacjia w analityce, ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa 2005 2. J. Janata, Principles of Chemical Sensors, Springer, wyd. 2, 2009 3. P. Gründler, Chemical Sensors, An Introduction for Scientists and Engineers, Springer, 2007 4. P. N. Bartlett (ed.), Bioelectrochemietry, fundamentals, experimental techniques and applications, Willey & Sons, 2008. 5. W. Szczepaniak, Metody Instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, W-wa 2010. 6. A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary Springer,2008 19
Dziękuje za uwagę 20