P a

Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Uniwersytet Łódzki
ul.Tamka 12, 91-403 Łódź
Dr Paweł Krzyczmonik
Łódź, marzec 2015
1
Plan wykładu
Tranzystor polowy MOSFET
Tranzystor jonoczuły ISFET
Chemicznie modyfikowany tranzystor polowy (CHEMFET)
Gazowe sensory potencjometryczne
Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne
Sensory z detekcją amperometryczną
Sensory z detekcją konduktometryczną
Tranzystor polowy MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )
3
Tranzystor jonoczuły ISFET
(Ion-Sensitive Field Effect Transistor )
Bramka z SiO2
SiO-
+H+
+H+
SiOH
SiOH2
-H+
-H+
Podobne sensory z bramką z
Al2O3, Si3N4, Ta2O5
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 SiO2
5
CHEMFET - struktura chemiczna
OH
OH + (MeO)3Si(CH2)3O
OH
O
O
O
C(O)C(CH3)
Si
CH2
Chlorek
metakryloilu
CH3
CH2
O
O
O
C(O)O-CH2CH2OH
O
O
O
Si(CH2)3O
C(O)C(CH3)
polyHEMA
Si
CH2
HEMA
OC(O)C(CH3)
CH2
CH3
fotopolimeryzacja
polisiloksan
O
O
O
Si
polyHEMA
(CH2 C)n
C(O)O(CH2)3
O
CH3
Si O
CH3
CH3
Si O
Si O
m
n
CH3
p
(CH2)3CN
6
CHEMFET - struktura chemiczna - przykład
CN
CH3
HO
CH3
Si O
Si O
CH3
CH3
O OO
CH3
Si OH
O
O
Et
O
O
Et
O
NH
BPH4 Na+
Et
(CH2)3
(CH2)3
O
C
CH2 C
O
CH3
CH2 C
O
O
C O
C O
CH2 C
CH2 C
CH3
CH3
p-HEMA
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
CO2 + H2O ⇄ HCO3 + H+
aCO H O  PCO
2
Ka 
2
2
aH aHCO3
aCO2
aH  aHCO3
aH2
Ka 
PCO2
pH  A  0.5 log PCO2
Jeśli stężenie elektrolitu wew cHCO=0.1 mol/l
K a* 
aH
PCO2
pH  A*  log PCO2
8
Gazowe sensory potencjometryczne
Elektrody Severinghausa- inne przykłady
Oznaczany gaz
Reakcja równowagi
Wew. elektroda
NH3
NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OHxNH3 + Mn+ ⇄ M(NH3)x n+
H+
M=Ag+, Cu2+
SO2
SO2 + H2O ⇄ H++ HSO3 -
H+
NO2
2NO2 + H2O⇄ NO3- + NO2- + 2H+
H+, NO3-
H2S
H2S + H2O ⇄ H+ + HS-
S2-
HCN
Ag(CN)2- ⇄ Ag+ + 2CN-
Ag+
HF
HF ⇄ H+ + FFeFx2-x ⇄ FeFy3-y + (x-y)F-
FPt (redoks)
Cl2
Cl2 + H2O ⇄2H+ + ClO- + Cl-
H+
CO2
CO2 + H2O ⇄ H+ + HCO3-
H+
9
Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne
A(gaz) ± e ⇄ A±
Met | stała aktywność X± | przewodnik jonów X± | AX, badana aktywność A±| gaz A, Met.
Opracowano wysokotemperaturowe sensory do oznaczania
następujących gazów: O2,, Cl2, CO/CO2, SO2/SO3, NO2, I2, H2S, H2
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. 100-400oC, w tych warunkach jony tlenu
mają wystarczającą ruchliwość.
Pt, O2(ref.) | ZrO2, Y2O3 | O2(analit) Pt
½ O2 + e ⇄ ½ O2RT PO2  próbka 
E
ln
F
PO2 (ref .)
11
Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne
Wysokotemperaturowy sensor do oznaczania chloru
Ag | AgCl | SrCl2, KCl, Cl2(próbka) | RuO2
elektroda
odniesienia
elektrolit
elektroda
wskaźnikowa
Elektroda odniesienia:
Elektroda wskaźnikowa:
Cl2 + 2e ⇄ 2ClAg ⇄ Ag+ + e
12
Wysokotemperaturowe sensory potencjometryczne
Przykład komercyjnego sensora do oznaczania tlenu
O2 , Pt ZrO2 Li2CO3  BaCO3 Au , CO2  powietrze
2O 2  O2  4e 
4 Li   2CO2  O2  4e   2 Li2 CO3
2Li   CO2  O 2  Li2CO3
E  Eo 
RT
ln pCO2
2F
temp  900K
2Li   O 2   ZrO2  Li2 ZrO3
13
Sensory z detekcją amperometryczną
W sensorach amperometrycznych wykorzystuje
się
układy
elektrochemiczne
zdolne
do
odwracalnych reakcji elektrodowych.
I = nFAmcanalitu
Jeśli m=const. to prąd płynący przez elektrody jest
proporcjonalny do stężenia analitu.
14
Sensory z detekcją amperometryczną
Elektroda Clarka (właściwie ogniwo Clarka)
DE = 0,5 – 1.0 V
Anoda: 4Ag + 4Cl- ⇄ 4AgCl + 4e
Katoda: O2 + 2H2O + 4e ⇄ 4OH-
Na bazie elektrody Clarka stworzono sensory
do oznaczania: H2S, NO, NO2, Cl2, CO
Sensory z detekcją amperometryczną
Sensory stałoelektrolitowe (temp. pracy 400-800oC)
O2 + 2e + 2 V+ ⇄ 2O-
16
Sensory z detekcją konduktometryczną
Przewodnik powierzchniowy
warstwa receptorowa
Przewodnik objętościowy
Sensor z grzaniem
Przewodnik powierzchniowy
grzałka
chemirezystor z cienką warstwą złota
Warstwa receptorowa : SnO2, TiO2, ZrO2.
17
Sensory z detekcją konduktometryczną
Konduktometryczne elektrody Severinghausa
Detekcja CO2
CO2 + H2O ⇄ HCO3 + H+
T<100s
Ka=4.4 10-7
Detekcja SO2
H2SO3 ⇄ HSO-3 + H+
Ka=1.3 10-2
18
Literatura
1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, „Sensory chemiczne”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa 1999.
2. Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki „Miniaruryzacjia w analityce”,
Oficyna 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