Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια
ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 1

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟΧΟΣ - ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας των αισθητήρων που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των ποσοτήτων ή/και την ανίχνευση της παρουσίας διαφόρων χημικών ή βιολογικών ουσιών Εισαγωγή Χημικοί αισθητήρες παραμόρφωσης ελάσματος Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων Θερμικοί χημικοί αισθητήρες Οπτικοί χημικοί αισθητήρες Χημικοί αισθητήρες μάζας Χημικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης Χημικοί αισθητήρες μεταβολής χωρητικότητας Χημικές δίοδοι Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μέτρησης ph Οπτικοί αισθητήρες αερίων Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων Αισθητήρες αερίων τύπου «θερμικής αγωγιμότητας» Φωτοακουστικοί αισθητήρες αερίων Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 2

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 1. Εισαγωγή (i) Οι χημικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση ποσοτήτων όπως είναι η μάζα, η συγκέντρωση κλπ. οι οποίες αφορούν χημικές ουσίες (π.χ. χημικές ενώσεις, διαλύματα, αέρια, κλπ) ή για την ανίχνευση της παρουσίας αυτών των ουσιών. Το γενικό διάγραμμα ενός χημικού αισθητήρα απεικονίζεται στα σχήματα. Αποτελείται από ένα στρώμα χημικά ευαίσθητου υλικού (υποδοχέας, receptor) που τοποθετείται επάνω σε έναν αισθητήρα, το οποίο επιλέγεται έτσι ώστε να αντιδρά μόνο με το συγκεκριμένο συστατικό της αναλυόμενης χημικής ουσίας (analyte) που είναι επιθυμητό να μετρηθεί. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 3

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 1. Εισαγωγή (ii) Τα αποτελέσματα αυτής της φυσικοχημικής αντίδρασης μετριέται από έναν αισθητήρα και από το ηλεκτρικό σήμα εξόδου που παράγεται, υπολογίζεται με κατάλληλη επεξεργασία η ποσότητα του μετρούμενου χημικού συστατικού. Ο τύπος του αισθητήρα εξαρτάται από το είδος της φυσικοχημικής αντίδρασης που πραγματοποιείται μεταξύ του μετρούμενου χημικού συστατικού και του υποδοχέα. Το φαινόμενο στο οποίο βασίζεται η λειτουργία ενός χημικού αισθητήρα μπορεί να είναι Η παραμόρφωση ενός ελαστικού υλικού, λόγω μεταβολής της μάζας που προκαλεί το προιόν της αντίδρασης της μετρούμενης χημικής ουσίας με τον υποδοχέα Η μεταβολή της αγωγιμότητας του αισθητήρα, λόγω απελευθέρωσης ηλεκτρονίων (ηλεκτροχημική ανίχνευση) Η μεταβολή της θερμοκρασίας, λόγω έκλυσης ή απορρόφησης θερμότητας Η μεταβολή της μάζας ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου Η μεταβολή χαρακτηριστικών παραμέτρων της οπτικής ακτινοβολίας (π.χ. φθορισμός, απορροφητικότητα, σκέδαση κλπ) Παραδείγματα εφαρμογής των χημικών αισθητήρων είναι η μέτρηση του CO2 που περιέχεται στον ατμοσφαιρικό αέρα, η μέτρηση της συγκέντρωσης ιόντων σε διαλύματα Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 4

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Εισαγωγή (iii) Ένας χημικός αισθητήρας είναι ανιχνεύει βιολογικές ποσότητες αναφέρεται συνήθως ως βιοχημικός αισθητήρας (biochemical sensor) ή βιοαισθητήρας (biosensor) Παραδείγματα βιοχημικών αισθητήρων είναι οι αισθητήρες που χρησιμο- ποιούνται για τη μέτρηση της ποσότητας σακχάρων και πρωτεινών, για την ταυτοποίηση δειγμάτων DNA από βακτήρια και άλλους μικρο- οργανισμούς κλπ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 5

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Εισαγωγή (iv) Η δομή των βιοχημικών αισθητήρων είναι παρόμοια με αυτή των χημικών αισθητήρων που έχει παρουσιαστεί παραπάνω, με τη διαφορά ότι στους βιοχημικούς αισθητήρες οι υποδοχείς κατασκευάζονται από κατάλληλα βιολογικά υλικά (π.χ. ένζυμα, αντιγόνα, αντισώματα, τμήματα DNA) Οι χημικοί αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της συγκέντρωσης αερίων (π.χ. CH4, CO, CO2) ονομάζονται αισθητήρες αερίων (gas sensors) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 6

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2. Χημικοί αισθητήρες παραμόρφωσης ελάσματος Οι χημικοί αισθητήρες παραμόρφωσης ελάσματος (microcantilever sense sensors) αποτελούνται από μια ελαστική ράβδο από πυρίτιο όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα ειδικά επιλεγμένα μόρια-δείκτες που τοποθετούνται επάνω στην επιφάνεια του ελάσματος αντιδρούν μόνο με τα συγκεκριμένα μόρια που πρέπει να ανιχνεύονται Το αποτέλεσμα της αντίδρασης είναι η παραμόρφωση του ελάσματος λόγω αύξησης της συνολικής μάζας των μορίων του υλικού που μετριέται. Η παραμόρφωση του ελάσματος μετριέται με αισθητήρα μετατόπισης και από την τιμή που προκύπτει υπολογίζεται η συγκέντρωση της μετρούμενης ποσότητας Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 7

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3. Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (i) Οι χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (surface acoustic waves) αποτελούνται από έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο (συνήθως quarz), η επιφάνεια του οποίου καλύπτεται από κατάλληλο πολυμερές υλικό, το οποίο επιλέγεται ανάλογα με το είδος του χημικού συστατικού που μετριέται. Η δομή ενός χημικού αισθητήρα επιφανειακών ακουστικών κυμάτων φαίνεται στο σχήμα Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 8

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3. Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (ii) Στο ένα άκρο του κρυστάλλου εκπέμπεται ακουστικό κύμα υψηλής συχνότητας, το οποίο, λόγω της μηχανικής ταλάντωσης που προκαλεί στον κρύσταλλο, διασχίζει την επιφάνεια του κρυστάλλου (surface acoustic wave) και διαδίδεται στο άλλο άκρο του κρυστάλλου. Η αντίδραση του ανιχνευόμενου χημικού συστατικού με το πολυμερές που καλύπτει τον κρύσταλλο, προκαλεί μεταβολή στην ταχύτητα διάδοσης του ακουστικού κύματος επάνω στην επιφάνεια του κρυστάλλου. Η μεταβολή αυτή ανιχνεύεται ως μεταβολή της διαφοράς φάσης των ακουστικών κυμάτων εισόδου και εξόδου Δφ, σύμφωνα με τις σχέσεις φ = 2π (1/λ) = 2π (l f / υ) ↔ Δφ = 2π l f Δ(1/υ) = - φο (Δυ/υ) (12.1) όπου υ είναι η ταχύτητα του ακουστικού κύματος, l είναι το μήκος της διαδρομής του κύματος επάνω στον κρύσταλλο και f η συχνότητα της ταλάντωσης. Η τιμή του Δφ εξαρτάται από την συγκέντρωση του ανιχνευόμενου συστατικού Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 9

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3. Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (iii) Η διάδοση των ακουστικών κυμάτων στην επιφάνεια του κρυστάλλου γίνεται είτε με κύματα τύπου Rayleigh, είτε με κύματα τύπου Shear-horizontal surface waves Τα επιφανειακά κύματα τύπου Rayleigh διαδίδονται στη διεύθυνση του άξονα z, ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος παραμορφώνεται στο επίπεδο y-z Οι αισθητήρες που βασίζονται σε αυτή την αρχή έχουν συχνότητα λειτουργίας της τάξης των 25…500 MHz Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 10

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3. Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων (iv) Αυτός ο τρόπος μετάδοσης των κυμάτων έχει το μειονέκτημα ότι όταν ο αισθητήρας είναι σε επαφή με υγρά, η συμπίεση της επιφάνειας του κρυστάλλου από το υγρό προκαλεί μεγάλη μείωση του πλάτους και της ταχύτητας των κυμάτων Με κατάλληλη κατασκευή του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου, η διάδοση του κύματος στην επιφάνεια του κρυστάλλου γίνεται στη διεύθυνση του άξονα z και ο κρύσταλλος παραμορφώνεται στο επίπεδο x-z. Τα κύματα αυτά ονομάζονται Shear-Ηorizontal Surface Waves (SH-SAW) και αυτός ο τρόπος διάδοσης του κύματος επιτρέπει τη χρήση του κρυστάλλου ως αισθητήρα σε επαφή με υγρά Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 11

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 4. Θερμικοί χημικοί αισθητήρες (i) Οι θερμικοί χημικοί αισθητήρες κατασκευάζονται συνδυάζοντας ένα στρώμα από υλικό χημικά ευαίσθητο στο αέριο ή τη βιολογική ποσότητα που μετριέται, με αισθητήρες θερμοκρασίας. Όταν η μετρούμενη χημική ουσία έλθει σε επαφή με το χημικά ευαίσθητο στρώμα (π.χ. ένζυμο) απελευθερώνεται θερμότητα, η οποία μετριέται με αισθητήρα θερμοκρασίας. Το αποτέλεσμα της μέτρησης της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης, της μετρούμενης χημικής ουσίας. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται θερμίστορ, θερμοζεύγη ή pellistors. Η δομή ενός pellistor για τη μέτρηση της συγκέντρωσης ενός αερίου φαίνεται στο σχήμα Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 12

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 4. Θερμικοί χημικοί αισθητήρες (ii) Αποτελείται από μια ωμική αντίσταση που κατασκευάζεται από πλατίνα και η οποία τοποθετείται μέσα σε καταλυτικό υλικό. Με διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από την ωμική αντίσταση προκαλείται θέρμανση του αισθητήρα στη θερμοκρασία λειτουργίας του (τάξης 500 C) H χημική αντίδραση οξείδωσης που πραγματοποιείται στην επιφάνεια του αισθητήρα μεταξύ του μετρούμενου αερίου και του οξυγόνου του αέρα, υπό την παρουσία του καταλύτη, προκαλεί την απελευθέρωση θερμότητας. Το ποσό της θερμότητας που εκλύεται εξαρτάται από τη συγκέντρωση του μετρούμενου αερίου. Η θερμότητα αυτή μεταφέρεται στην ωμική αντίσταση από πλατίνα η οποία βρίσκεται στο εσωτερικό του pellistor, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντίστασής της ανάλογα με τη συγκέντρωση του μετρούμενου αερίου. Με μέτρηση της αντίστασης υπολογίζεται η συγκέντρωση του αερίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 13

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 5. Οπτικοί χημικοί αισθητήρες (i) Η λειτουργία των οπτικών χημικών αισθητήρων στηρίζεται στην μέτρηση χαρακτηριστικών όπως η απορροφητικότητα (absorbance), ο φθορισμός (fluorescence) και η σκέδαση (scattering) της οπτικής ακτινοβολίας, τα οποία μεταβάλλονται λόγω της παρουσίας της μετρούμενης ουσίας. Η μεταβολή των χαρακτηριστικών αυτών μετριέται με οπτικούς αισθητήρες όπως είναι οι φωτοδίοδοι και τα CCDs. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 14

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 5. Οπτικοί χημικοί αισθητήρες (ii) Στο Σχήμα φαίνεται η δομή των οπτικών χημικών αισθητήρων που χρησιμο- ποιούνται σε εφαρμογές όπως η ανίχνευση και η ταυτοποίηση DNA (το οποίο προέρχεται π.χ. από μικροοργανισμούς, όπως είναι οι ιοί και τα βακτήρια) και πρωτεινών Τα ειδικά επιλεγμένα μόρια-συλλέκτες που τοποθετούνται επάνω στην επιφάνεια του αισθητήρα αντιδρούν μόνο με τα μόρια που πρέπει να ανιχνεύονται. Η αντίδραση αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή του φθορισμού της επιφάνειας, η οποία μετριέται στη συνέχεια με κατάλληλο αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 15

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Χημικοί αισθητήρες μάζας (i) Οι χημικοί αισθητήρες μέτρησης μάζας αποτελούνται από έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο από χαλαζία (quarz) ο οποίος καλύπτεται από ένα χημικά ευαίσθητο στρώμα (π.χ. από πολυμερές υλικό) που επιλέγεται έτσι ώστε να απορροφά μόνο τα μόρια του αερίου ή του υγρού που πρέπει να μετρώνται από τον αισθητήρα. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 16

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Χημικοί αισθητήρες μάζας (ii) H απορρόφηση αυτών των μορίων προκαλεί αύξηση της μάζας του κρυστάλλου και επομένως μεταβολή της συχνότητας συντονισμού του, Δf, σύμφωνα με τη σχέση Δf = (2 n fo2 Δm)/(A √ μq ρq) (12.2) όπου Δm είναι η μεταβολή της μάζας του κρυστάλλου (ανάλογη της συγκέντρωσης της μετρούμενης ουσίας), fo είναι η συχνότητα συντονισμού του κρυστάλλου (συνήθως της τάξης των 5…30 MHz) , n είναι η αρμονική της θεμελιώδους συχνότητας (συνήθως n=1), A είναι η επιφάνεια του κρυστάλλου που εκτίθεται στα ανιχνευόμενα μόρια, μq είναι το μέτρο διάτμησης του κρυστάλλου χαλαζία (μq = x 1011 g cm-1 s-2) και ρq είναι η πυκνότητα του κρυστάλλου χαλαζία (ρq = g cm-3) Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 17

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6. Χημικοί αισθητήρες μάζας (iii) O αισθητήρας συνδέεται σε κύκλωμα ταλαντωτή του οποίου η συχνότητα μεταβάλλεται ανάλογα με τη μεταβολή της μάζας του κρυστάλλου και επομένως ανάλογα με τη συγκέντρωση της μετρούμενης ουσίας. Οι χημικοί αισθητήρες μάζας αυτού του τύπου ονομάζονται μικροζυγοί κρυστάλλου χαλαζία και χαρακτηρίζονται από σχετικά μικρό χρόνο απόκρισης (της τάξης μερικών δευτερολέπτων). Παραδείγματα εφαρμογής τέτοιων αισθητήρων είναι η μέτρηση της συγκέντρωσης αερίων όπως η φορμαλδεύδη, το HCl, το H2S κλπ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 18

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 7. Χημικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης (i) Στους χημικούς αισθητήρες αντίστασης (χημικούς αντιστάτες) συμβαίνει μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός χημικά ευαίσθητου στρώματος, όταν έλθει σε επαφή με την μετρούμενη ουσία. Βρίσκουν εφαρμογή στη μέτρηση της συγκέντρωσης μεθανίου, υδρογόνου, αιθανόλης, CO2 κλπ. Επίσης χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση βιοχημικών αντιδράσεων που αφορούν το DNA, πρωτείνες, αντιγόνα, αντισώματα κλπ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 19

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 7. Χημικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης (ii) Το χημικά ευαίσθητο στρώμα αποτελείται συνήθως από κάποιο ημιαγώγιμο οξείδιο μετάλλου (π.χ. SnO2, TiO2, ZnO, κλπ) ή πολυμερές υλικό που επιλέγεται ανάλογα με την ουσία που μετριέται και την επιθυμητή ευαισθησία. Το χημικά ευαίσθητο στρώμα τοποθετείται σε κεραμικό υπόστρωμα. Στην περίπτωση που το χημικά ευαίσθητο στρώμα κατασκευάζεται από οξείδια μετάλλων απαιτείται υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας τους (τυπικές τιμές 200…500 C) και έτσι στον αισθητήρα περιλαμβάνεται και διάταξη θέρμανσης του χημικά ευαίσθητου στρώματος Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 20

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 7. Χημικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης (iii) Στο Σχήμα φαίνεται ένα παράδειγμα χημικού αισθητήρα μεταβολής αντίστασης για τη μέτρηση της συγκέντρωσης μεθανίου (CH4) όπου το χημικά ευαίσθητο στρώμα αποτελείται από SnO2. Αρχικά, το οξυγόνο του αέρα εισέρχεται στην επιφάνεια του αισθητήρα με από- τέλεσμα τον καθορισμό της αρχικής αντίστασης του αισθητήρα Στη συνέχεια, τα μόρια του μετρούμενου μεθανίου έρχονται σε επαφή με την επιφάνεια του αισθητήρα. Η αντίδραση με το SnO2 στην επιφάνεια του αισθητήρα έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της αντίστασης του αισθητήρα. Η αντίδραση συνοδεύεται από απελευθέρωση CO2 Η ροή αέρα στην επιφάνεια του αισθητήρα προκαλεί την αποκατάσταση της αντίστασής στην αρχική της τιμή Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 21

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Χημικοί αισθητήρες μεταβολής χωρητικότητας (i) Οι χημικοί αισθητήρες μεταβολής χωρητικότητας (χημικοί πυκνωτές) αποτελούνται από ένα στρώμα από πολυμερές υλικό που επιλέγεται έτσι ώστε να απορροφά το χημικό συστατικό που πρόκειται να ανιχνευθεί. Το πολυμερές υλικό τοποθετείται ανάμεσα σε δύο μεταλλικούς οπλισμούς σχηματίζοντας έναν πυκνωτή Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 22

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 8. Χημικοί αισθητήρες μεταβολής χωρητικότητας (ii) Η απορρόφηση της χημικής ουσίας που μετριέται από το πολυμερές υλικό του αισθητήρα, προκαλεί τη μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς και επομένως της χωρητικότητας του πυκνωτή. Η μεταβολή αυτή είναι ανάλογη της μετρούμενης χημικής ουσίας. Ο ένας από τους δύο οπλισμούς του πυκνωτή πρέπει να είναι πορώδης, ώστε η μετρούμενη χημική ουσία να έχει πρόσβαση στο πολυμερές διηλεκτρικό. Σε μερικές περιπτώσεις αυτό επιτυγχάνεται και με τη διάνοιξη οπών στον οπλισμό. Η μεταβολή της χωρητικότητας είναι συνήθως της τάξης των pF Οι αισθητήρες αυτού του τύπου βρίσκουν εφαρμογή στη μέτρηση CO2, CO, N2, CH4, κλπ Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 23

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 9. Χημικές δίοδοι Οι χημικές δίοδοι είναι δίοδοι Schottky οι οποίες κατασκευάζονται από το συνδυασμό μετάλλων (συνήθως Pt ή Pd) με ημιαγωγούς όπως είναι το GaN, στις οποίες μεταβάλλεται η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης (Ι-V) με την παρουσία αερίων. Οι χημικές δίοδοι βρίσκουν εφαρμογή στην ανίχνευση & μέτρηση της συγκέντρωσης αερίων όπως είναι το H2, to N2, κλπ Η δομή μιας χημικής διόδου Schottky που χρησιμοποιείται για μέτρηση της συγκέντρωσης του H2 φαίνεται στο σχήμα Το μετρούμενο H2 διαχέεται μέσω του στρώματος Pt προς την οριακή επιφάνεια μεταξύ Pt και GaN προκαλώντας τη μεταβολή της χαρακτηριστικής I-V της διόδου Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 24

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (i) Τα Ion Selective Field Effect Transistors (ISFETs) χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του pH, καθώς και για τη μέτρηση των συγκεντρώσεων ιόντων διαλυμάτων (π.χ. νατρίου, καλίου, ασβεστίου). Χαρακτηρίζονται από μεγάλη ευαισθησία και γρήγορη απόκριση. Κατασκευάζονται όπως τα συμβατικά MOSFETs με τη διαφορά ότι επάνω στο SiO2 τοποθετείται ένα χημικά ευαίσθητο στρώμα (είτε διηλεκτρικό όπως Si3N4, Al2O3, Ta2O5 είτε μεμβράνη επιλεκτική σε ιόντα) του οποίου η χημική σύσταση επιλέγεται ανάλογα με τον τύπο των ιόντων των οποίων η συγκέντρωση μετριέται. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 25

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (ii) Το προς μέτρηση διάλυμα τοποθετείται μεταξύ του χημικά ευαίσθητου στρώματος και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς με σταθερή τάση, το οποίο αποτελεί την πύλη IFET, όπως φαίνεται στο σχήμα. Μόνο τα ιόντα που μετρώνται διαχέονται από το διάλυμα στην επιφάνεια του χημικά ευαίσθητου στρώματος. ‘Ετσι, συσσωρεύεται φορτίο στην επιφάνεια μεταξύ του ευαίσθητου στρώματος και του διαλύματος, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της τάσης κατωφλίου του FET. Η τιμή της μεταβολής εξαρτάται από τη συγκέντρωση των ιόντων του μετρούμενου διαλύματος. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 26

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (iii) Στην περίπτωση μέτρησης του pH ενός διαλύματος μετριέται η συγκέντρωση των ιόντων H+ pH = -log ([H+]) (12.3) όπου [H+] είναι η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου Στην περίπτωση αυτή, συχνά το ίδιο το SiO2 αποτελεί το χημικά ευαίσθητο στρώμα και, όπως φαίνεται στο Σχήμα 12-14, οι ομάδες SiOH που υπάρχουν στην επιφάνεια του SiO2 λαμβάνουν ή παρέχουν πρωτόνια στο διάλυμα, ανάλογα με τη συγκέντρωση πρωτονίων στο διάλυμα αυτό, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη θετικού ή αρνητικού φορτίου στη επιφάνεια του χημικά ευαίσθητου στρώματος SiOH ↔ SiO- + H+ (12.4) SiOH2+ ↔ SiOH + H+ όπου H+ είναι τα πρωτόνια του διαλύματος Το φορτίο που αναπτύσσεται είναι ανάλογο της συγκέντρωσης των πρωτονίων στο διάλυμα και έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της τάσης κατωφλίου του ISFET. Αντίστοιχος μηχανισμός αναπτύσσεται ανάλογα με τον τύπο του χημικά ευαίσθητου στρώματος και του διαλύματος Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 27

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (iv) Για την ανίχνευση αερίων & τη μέτρηση της συγκέντρωσης αερίων έχουν αναπτυχθεί τα GasFETs στα οποία συμβαίνει μεταβολή της τάσης κατωφλίου, VT, ανάλογα με την μετρούμενη συγκέντρωση του αερίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 28

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (v) Επάνω στο SiO2 το οποίο χρησιμοποιείται ως μονωτής τοποθετείται ένα χημικά ευαίσθητο και πορώδες στρώμα, του οποίου η χημική σύσταση εξαρτάται από το αέριο που ανιχνεύεται (π.χ. για την ανίχνευση του υδρογόνου χρησιμοποιείται το παλλάδιο, Pd) που επιτρέπει τη διάχυση μόνο των μορίων του μετρούμενου αερίου στο εσωτερικό του. Τα μόρια του αερίου διαχέονται στην επιφάνεια επαφής του μετάλλου της πύλης και του μονωτή, οπότε το φορτίο που αναπτύσσεται προκαλεί τη μεταβολή του δυναμικού της επιφάνειας του στρώματος SiO2 του FET Λόγω της προστασίας που παρέχει το μέταλλο της πύλης, η διάταξη αυτή είναι λιγότερο ευαίσθητη σε φθορά κατά την έκθεσή της σε αέρια Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 29

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (vi) Eναλλακτική δομή ενός GasFET φαίνεται στο Σχήμα, όπου μεταξύ του ηλεκτροδίου της πύλης και του μονωτή SiO2 υπάρχει διάκενο που επιτρέπει τη ροή του μετρούμενου αερίου. Το χημικά ευαίσθητο στρώμα που τοποθετείται επάνω από το μονωτή επιτρέπει τη διάχυση μόνο των μορίων του αερίου που μετριέται στο εσωτερικό του. Ανάλογα με τον τύπο του χημικά ευαίσθητου στρώματος, τα μόρια του αερίου που διαχέονται προκαλούν μεταβολή του φορτίου στην επιφάνεια μεταξύ του χημικά ευαίσθητου στρώματος και του αερίου ή/και στην επιφάνεια μεταξύ του χημικά ευαίσθητου στρώματος και του μονωτή. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 30

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 10. Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) (vi) Παραλλαγές των ISFET’s και των GasFET’s είναι τα ΕNFETs (Enzyme Field Effect) των οποίων η αρχή λειτουργίας στηρίζεται στην τοποθέτηση μιας μεμβράνης με το κατάλληλο ένζυμο και ενός στρώματος για την εκλεκτική διάχυση ιόντων, επάνω στο στρώμα του SiO2 του FET Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 31

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 11. Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μέτρησης pH (i) Το γενικό διάγραμμα ενός ηλεκτροχημικού αισθητήρα μέτρησης του ph ενός διαλύματος φαίνεται στο Σχήμα Αποτελείται από δύο δοχεία που περιέχουν ηλεκτρολύτη μέσα στον οποίο είναι βυθισμένα τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια. Το επιλεκτικό σε ιόντα ηλεκτρόδιο (ion selective electrode) διαχωρίζεται από το μετρούμενο διάλυμα από μια επιλεκτική μεμβράνη που επιτρέπει τη διάχυση μόνο των ιόντων Η+ από το εξωτερικό διάλυμα στο εσωτερικό του, ενώ εμποδίζει τη διάχυση άλλο τύπου ιόντων. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 32

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 11. Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μέτρησης pH (ii) Ο ηλεκτρολύτης του ηλεκτροδίου αναφοράς είναι σε επαφή με το μετρούμενο διάλυμα μέσω κατάλληλου διαφράγματος, ώστε να επιτρέπεται η ροή ηλεκτρικών φορτίων. Η τάση, V, που αναπτύσσεται μεταξύ του επιλεκτικού σε ιόντα ηλεκτροδίου και του ηλεκτροδίου αναφοράς είναι ανάλογη του ph του διαλύματος. Με κατάλληλη επιλογή της επιλεκτικής μεμβράνης, αυτή η αρχή λειτουργίας εφαρμόζεται στη μέτρηση της συγκέντρωσης και άλλων τύπων ιόντων στο διάλυμα Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 33

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (i) Οι οπτικοί αισθητήρες αερίων χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της συγκέντρωσης αερίων χρησιμοποιώντας οπτικό αισθητήρα. Η λειτουργία τους βασίζεται στο φάσμα απορρόφησης της οπτικής ακτινοβολίας από το μετρούμενο αέριο. Το γενικό διάγραμμα του συστήματος μέτρησης φαίνεται στο Σχήμα Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 34

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (ii) Ένας αισθητήρας οπτικής ακτινοβολίας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της έντασης της οπτικής ακτινοβολίας που διέρχεται από το νέφος του μετρούμενου αερίου. Η ακτινοβολία αυτή αποτελείται από δύο συνιστώσες: (α) την ενεργό οπτική ακτινοβολία, η οποία έχει τέτοιο μήκος κύματος ώστε όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του αερίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας αυτής από το αέριο και τόσο μικρότερη η ένταση της ακτινοβολίας που λαμβάνει ο αισθητήρας οπτικής ακτινοβολίας και (β) την οπτική ακτινοβολία αναφοράς η οποία έχει τέτοιο μήκος κύματος ώστε να μην απορροφάται από το αέριο του οποίου μετριέται η συγκέντρωση Συνήθως η ενεργός οπτική ακτινοβολία βρίσκεται στην περιοχή του υπερύθρου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 35

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (iii) Η συγκέντρωση του αερίου υπολογίζεται ως συνάρτηση του πηλίκου της έντασης της ενεργού ακτινοβολίας προς την ένταση της ακτινοβολίας αναφοράς που λαμβάνει ο δέκτης. Ο συντελεστής μετάδοσης (transmittance), t, της υπέρυθρης ακτινοβολίας που διέρχεται μέσα από νέφος του μετρούμενου αερίου με συγκέντρωση C δίνεατι από τη σχέση (νόμος του Beer-Lambert) t = e α C ℓ (12.5) όπου α είναι ο συντελεστής απορρόφησης ακτινοβολίας (εξαρτάται από το είδος του αερίου) και ℓ το μήκος της διαδρομής της ακτινοβολίας μέσω του αερίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 36

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (iv) Η απορροφητικότητα της υπέρυθρης ακτινοβολίας από διάφορα αέρια φαίνεται στο Σχήμα Ανάλογα με τον τύπο του αερίου που μετράται, επιλέγεται το μήκος κύματος της ενεργού ακτινοβολίας και της ακτινοβολίας αναφοράς. Στο Σχήμα δείχνεται το φάσμα απορρόφησης του αερίου μεθανίου (CH4) όπως καταγράφεται από φασματογράφο αερίων, για την περιοχή μήκους κύματος nm Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 37

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (v) Στο Σχήμα δείχνεται μια διάταξη που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της συγκέντρωσης μεθανίου σε κάποιο χώρο. Αποτελείται από δύο φωτο- εκπέμπουσες διόδους, τη Α ως πηγή φωτός & τη Β ως πηγή φωτός αναφοράς με συγκεκριμένο φάσμα η καθεμιά, καθώς και μια φωτοδίοδο ως αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας με φασματική απόκριση που να καλύπτει όλες τις φασματικές περιοχές. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 38

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (vi) Στο Σχήμα παρατίθενται συγκεντρωτικά τα φάσματα της πηγής φωτός Α, της πηγής φωτός αναφοράς Β, της κύριας περιοχής απρρόφησης του μεθανίου, καθώς και η φασματική απόκριση του αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας Η πηγή φωτός Α επιλέγεται έτσι ώστε το φάσμα της να περιλαμβάνει την περιοχή υψηλής απορροφητικότητας του μεθανίου, ενώ η πηγή Β εκπέμπει οπτική ακτινοβολία σε περιοχή χαμηλής απορροφητικότητας τόσο του μεθανίου, όσο και οποιασδήποτε άλλης ουσίας μπορεί να περιέχεται στο μετρούμενο δείγμα. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 39

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 12. Οπτικοί αισθητήρες αερίων (vii) Οι πηγές φωτός εκπέμπουν εναλλάξ οπτική ακτινοβολία προς τον αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας. Η ένταση της οπτικής ακτινοβολίας της πηγής Α υφίσταται εξασθένιση ανάλογη της συγκέντρωσης του μεθανίου. Η εξασθένιση αυτή υπολογίζεται μετρώντας το πηλίκο των εντάσεων των οπτικών ακτινοβολιών των πηγών Α και Β που λαμβάνονται από τον αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας. Επίσης χρησιμοποιώντας την πηγή Β μπορεί να ανιχνευθεί η κατάσταση κατά την οποία η μη-πρόσπτωση στο δέκτη της οπτικής ακτινοβολίας από την πηγή Α δεν οφείλεται στην ύπαρξη μεθανίου, αλλά στην παρεμβολή κάποιου άλλου σώματος (π.χ. σκόνη) μεταξύ των πηγών και του αισθητήρα, που αποκόπτει την πρόσπτωση στο δέκτη της οπτικής ακτινοβολίας η οποία προέρχεται και από τις δύο πηγές Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 40

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων (i) Η δομή ενός ηλεκτροχημικού αισθητήρα αερίων φαίνεται στο Σχήμα. Αποτελείται από ηλεκτρόδια βυθισμένα σε ηλεκτρολύτη. Το αέριο που μετριέται διαχέεται μέσω μιας μεμβράνης (gas diffusion barrier) στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου δράσης (working electrode) όπου πραγματοποιείται ηλεκτροχημική αντίδραση οξείδωσης ή αναγωγής, ανάλογα με τον τύπο του μετρούμενου αερίου, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ή σύλληψη ηλεκτρονίων από το ηλεκτρόδιο δράσης. Με κατάλληλο εξωτερικό ηλεκτρονικό κύκλωμα, το δυναμικό του ηλεκτροδίου δράσης διατηρείται σε σταθερή τιμή ως προς το δυναμικό του ηλεκτροδίου αναφοράς (reference electrode). Στο ηλεκτρόδιο αντίθεσης (counter electrode) πραγματοποιείται η αντίστροφη διαδικασία οξείδωσης ή αναγωγής σε σχέση με αυτή που πραγματοποιείται στο ηλεκτρόδιο δράσης. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 41

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 13. Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων (ii) Για παράδειγμα, αν το μετρούμενο αέριο είναι το CO τότε οι αντιδράσεις (αντιστρέψιμες) που πραγματοποιούνται στο ηλεκτρόδιο δράσης και το ηλεκτρόδιο αντίθεσης είναι CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e- ηλεκτρόδιο δράσης ½ Ο2 + 2H+ + 2e- → H2O ηλεκτρόδιο αντίθεσης CO + ½ O2 → CO2 συνολική αντίδραση Το ρεύμα που ρέει από το ηλεκτρόδιο αντίθεσης προς το ηλεκτρόδιο δράσης, μέσω του ηλεκτρολύτη, έχει ένταση ανάλογη της συγκέντρωσης του μετρούμενου αερίου. Οι αισθητήρες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται ευρύτατα για ανίχνευση & μέτρηση συγκέντρωσης τοξικών αερίων (π.χ. CO, H2S) στον αέρα. Το υλικό κατασκευής των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη εξαρτώνται από τον τύπο του μετρούμενου αερίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 42

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 14. Αισθητήρες αερίων τύπου «θερμικής αγωγιμότητας» Οι αισθητήρες αερίων τύπου θερμικής αγωγιμότητας αποτελούνται από μια ωμική αντίσταση από την οποία διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Λόγω της ισχύος που καταναλώνεται στην αντίσταση, αυτή αποτελεί ένα θερμαντικό στοιχείο που λειτουργεί σε θερμοκρασία περίπου 250 C Όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του μετρούμενου αερίου στο χώρο γύρω από το θερμαντικό στοιχείο, τόσο αυξάνεται η ποσότητα της θερμότητας που αποβάλλεται από το θερμαντικό στοιχείο προς τον περιβάλλοντα χώρο, λόγω της θερμικής αγωγιμότητας του μετρούμενου αερίου Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας του θερμαντικού στοιχείου και την αντίστοιχη μείωση της ωμικής του αντίστασης. Με μέτρηση της αντίστασης υπολο- γίζεται η συγκέντρωση του αερίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 43

ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 15. Φωτοακουστικοί αισθητήρες αερίων Η λειτουργία των φωτοακουστικών (photoacoustic) αισθητήρων αερίων στηρίζεται στην εκπομπή παλμών υπέρυθρης ακτινοβολίας στο μετρού- μενο αέριο. Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας επιλέγεται έτσι ώστε σε αυτό το μήκος κύματος η εκπεμπόμενη οπτική ακτινοβολία να απορροφάται από το αέριο του οποίου η συγκέντρωση μετριέται. Λόγω της απορρόφησης της υπέρυθρης ακτινοβολίας από το αέριο αυξάνεται η θερμοκρασία του αερίου, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της πίεσης του αερίου και την παραγωγή του ηχητικού κύματος. Η ένταση του ηχητικού κύματος που παράγεται είναι ανάλογη της ενέργειας της υπέρυθρης ακτινοβολίας η οποία απορροφάται από τα μόρια του αερίου και επομένως είναι ανάλογη της συγκέντρωσης του μετρούμενου αερίου. Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια 44

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Δρ. Μ. Γούλα, Aναπλ. Καθηγήτρια"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια