SENSORYIng. Martin Kronďák, Ph.D.

Mgr. Tatiana V. Šiškanová, CSc.

Ústav analytické chemie

Analytická chemie IIpodzim 2015

Výhody a nevýhody senzorů

+ odezva v reálném čase ≈ on-line regulace

+ vysoká rychlost analýzy

+ nízká cena senzoru a zařízení

+ nízká cena analýzy ≈ screening

- omezená selektivita

- potřeba kalibrace

- omezená dlouhodobá stabilita

Definice senzoruChemický senzor je malé zařízení, které převádí chemický

stav na elektrický signál.Göpel & spol. 1991

Chemický senzor je převodník, který poskytuje přímo informaci o chemickém složení svého okolí. Je tvořen fyzikálním převodníkem a chemicky citlivou vrstvou.

Janata 1988

A device that transforms chemical information, ranging fromthe concentration of a specific sample component to totalcomposition analysis, into an analytically useful signal. The chemical information, mentioned above, may originate from a chemical reaction of the analyte or from a physical property of the system investigated. Chemical sensors contain two basicfunctional units: a receptor and a transducer part. Some sensorsmay include a separator which is, for example a membrane.

IUPAC Orange book 1997

Obrázek použit s laskavým svolením prof. F. Opekara

Molekulový (iontový selektor) Princip selektivity

Semipermeabilní membrána Permeace, P=Dk

Molekulové síto Velikost částic

Iontoměnič, katalyzátor, sorbent Chemická reakce, nevazebnéinterakce

Enzymy, protilátky Biochemické rozpoznávacíreakce

Vtištěné (imprinted) polymery Tvar a velikost molekuly (iontu) analytu

Základní vlastnosti

• Selektivita

• Citlivost

• Linearita

• Limit detekce

• Hystereze

• Rychlost a doba odezvy

• Dlouhodobá stabilita

• Životnost

• Biokompatibilita

• Přesnost, Správnost, Opakovatelnost

Potenciometrické sensoryElektrody 1. druhu

Zn2+

Znvodič

Ref.elda

V ( )( )2

2

02

2

ln2Zn

Zn

Zn e Zn

a ZnRTE EF a Zn

+

+ −

+

+ →

⎛ ⎞⎜ ⎟= −⎜ ⎟⎝ ⎠

=1

( )( )20 20,059 log

2ZnZn

E E a Zn++= +

PRAC REFEMN E E= −

2logEMN A B Zn +⎡ ⎤= + ⎣ ⎦

Elektrody 2. druhu

=1

Hg

Hg2Cl2(kalomel)

nasyc. KCl

( )( )2 2

0 0,059logHg ClHg

E E a Cl−= −

PRAC REFEMN E E= −

logEMN A B Cl−⎡ ⎤= − ⎣ ⎦

( ) ( )( )2 2

2 2

22

0

2 2

2 2 2

ln2Hg Cl

Hg

Hg Cl e Hg Cl

a Hg a ClRTE EF a Hg Cl

− −

−

+ → +

⎛ ⎞⋅⎜ ⎟= −⎜ ⎟⎝ ⎠

Potenciometrické sensory

Iontově-selektivní elektrody (ISE)

( )( )1 2 53 0,059logDEMN E E E E konst FE a −= + + + + = −

( )( )1 0,059logfE E a Cl−= −

( )( )2 0,059logmE E a F −= −

( )( )3 0,059logmE E a F −= −

0DE =

( )( )5 0,059logfE E a Cl−= −

Iontově-selektivní elektrody

Selectivity: How much signal does an interfering molecule cause, relative to the TARGET ANALYTE?kt,i = selectivity coefficient for specific interferent

= 0 ideal= 0.1 moderate interference= 1.0 complete interference

Skleněná elektroda

• 1906 objev „selektivity“ skla (Cremer)• 1929 optimalizované sklo (MacInnes a Dole) později

známé jako Corning 15• 1934 první pH metr (Beckman) • (odhad 600 ks se prodá do 10 let; prodalo se jich přes 400 za první rok)

model G

do 50-tých let se jich prodalo přes 126 000

Skleněná elektroda

A: Corning 015, H2SO4B: Corning 015, HClC: Corning 015, 1M Na+

D: Beckman-GP, 1M Na+

E: L&N Black Dot, 1M Na+

F: Beckman Type E, 1M Na+

G: Ross Electrode

Příprava membrány Použité chemikálie:

• polyvinyl chlorid (PVC; 66 hm%)

• nitrofenyloktylether (NPOE; 33 hm%)

• chlorid tridodecylmethylamonný (TDDMACl;

1 hm%)

• tetrahydrofuran (THF)

Iontově-selektivní membrána

Membránové iontově-selektivní elektrody

Komerčně nejdůležitější ISE

valinomicine, 5.0 wt. %potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, 2.0 wt. % 2-nitrophenyl octyl ether (o-NPOE), 68.0 wt. %PVC, 25.0 wt. %

K+

nonactine, 5.0 wt. % potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, 2.0 wt. %sebacic acid dibutylester, 68.0 wt. %PVC, 25.0 wt. %

NH4+

Komerčně nejdůležitější ISE

sodium ionophore (ETH 227), 10.0 wt. % sodium tetraphenylborate, 0.5 wt. %2-nitrophenyl octyl ether (o-NPOE), 89.5 wt. %

Na+

Komerčně nejdůležitější ISE

Analyte Membrane composition Application, notes

H+ glass Corning 015(22 m% Na2O+6%CaO, 72%SiO2), lithium glass(14,3%Li2O, 7%BaO, 78,7%SiO2)

od 10-1 mol/l do 10-13 mol/lfragile

Na+ glass NAS 11-18 (11 mol % Na a 18 mol% Al)

10-1 až 10-6, keep constant pH! between 6 and 10

NH4+ Plasticized membrane, nonactine 10-1 to 10-5, blood serum analysis

K+ Plasticized membrane, valinomicine 10-1 až 10-6, blood serum analysis

Ca2+ hydrophobic ester of phosphoric acid ion-exchanger membrane (compareKs(Ca3PO4)) or neutral ionophore

determination of free Ca2+

blood serum

NO3- Plasticized membrane,

organic nitratesoriginaly by Orion Research company, high concentration of Cl- interferes, nitrate determination in agriculture

F- LaF3 + EuF3 10-1 to 10-6, with inner electrolyte orwith solid inner contact, OH- stronglyinterferes – use of TISAB buffer

Cl- monocrystalic or polycrystalic AgCl 10-1 až 10-5

S2- Ag2S in beta-modification až 10-19 mol/l, extremely selective

Application of ion-selective electodes

E. Bakker, E. Pretsch Angew. Chem., Int. Ed. 119 (2007) 5758-5767.

Moderní potenciometrie

Aptamers are nucleic acid ligands that have been designed through an in vitro selection process called SELEX (systematic evolution of ligands by exponentialenrichment).

(A) Formation of a mixed monolayer of thiolated aptamer on gold substrate; (B) thrombin addition and binding with aptamer; (C) secondary binding with CdS-labeledaptamer; (D) dissolution of CdS label followed by detection using a solid-contactCd2+-selective microelectrode

A.Numnuam, K.Y. Chumbimuni-Torres, Y. Xiang, R. Bash, P. Thavarungkul, P. Kanatharana, E. Pretsch, J. Wang, E. Bakker, Anal. Chem. 80 (2008) 707

Bioelektrody založené na skleněnéelektrodě

glucose oxidase H2OD-glucose + O2 D-glucono-1,5-lactone + H2O2 D-gluconate + H+

penicillinasepenicillin penicilloic acid + H+

urease (pH 9.5)H2NCONH2 + 2H2O 2NH3 + HCO3

- + H+

lipaseneutral lipids + H2O glycerol + fatty acids + H+

L-amino acid oxidaseL-amino acid + O2 + H2O keto acid + NH4

+ + H2O2

asparaginaseL-asparagine + H2O L-aspartate + NH4

+

urease (pH 7.5)H2NCONH2 + 2H2O + H+ 2NH4

++ HCO3-

creatinasecreatine + H2O N-methylhydantoin + NH4

+

Bioelektrody založené na elektroděcitlivé na NH4

+

Schéma(A) potenciometrického membránového biosensoru(B) ampérometrického membránového biosensoru

František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii

Potenciometrická měření s FET

Báze

Kolektor

Emitor

IB

Gate

Drain

Source

UG

ISDIKE

ISFET citlivý na ionty (Ion-selective FET)

GasFET citlivý na plyny

ENFET Enzyme FET

IMFET Immuno assay FET

BioFET Biologically active FET

MĚŘENÍ PROUDU: AMPEROMETRIE

Tl+ + e- TlCd2+ + 2e- CdZn2+ + 2e- ZnMn2+ + 2e- Mn2H+ + 2e- H2O2 + 4H+ +4e- 2H2O

Leland C. Clark

* 1918† 2005

Komponenty ampérometrických senzorůplynných látek

František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii

TŘÍFÁZOVÉ ROZHRANÍ

ELEKTRODA ELEKTROLYT

PLYNNÁ FÁZE

Komponenty ampérometrických senzorůplynných látek

František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii

Pt katoda: O2 + 4H+ + 4e 2H2O

Ag anoda: 4Ag + 4Cl– 4AgCl + 4e-

O2 + 4Ag + 4HCl 2H2O + 4AgCl

Obrázek použit s laskavým svolením prof. F. Opekara

Ampérometrické membránové sensory s kapalným elektrolytem

Ampérometrické sensory

Biosensory založené na Clarkově čidle: sensor na glukózu

František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii

Four generations of blood glucose meter, c. 1993-2005. Samplesizes vary from 30 to 0.3 μl. Test times vary from 5 seconds to 2 minutes (modern meters are typically below 15 seconds).

http://en.wikipedia.org/wiki/Glucose_meter

SENSORY NA PLYNY

Figaro sensor

• Základní principy jsou známé ze 60. let, kdy byl vyvinut na základě sintrovaného SnO2 firmou Figaro v Japonsku senzor plynů, známý jako TGS (Taguchi Gas Sensor).

• Využívají pro detekci reaktivních hořlavých a výbušných plynů, ale také i jedovatých průmyslových par a plynů (H2, CH4, C3H6, CO, NOx, H2S, AsH3, SO2, NH3).

Hořlavé plyny – riziko požáru či exploze

TGS813 LPG, propan, obecnéhořlavé plyny

500 – 10 000 ppm

detektory úniku plynu pro domácnosti, auta, garáže, přenosné detektory

TGS842 Zemní plyn, methan 500 – 10 000 ppm

detektory úniku plynu pro domácnosti, auta, garáže, přenosné detektory

TGS821 Vodík 50 – 1 000 ppm

pro průmyslové provozy

Toxické plyny – riziko fatálních následků pro lidské zdraví

TGS2442 CO 50 – 1 000 ppm

pro místa kde je riziko nedokonalého spalování

TGS826 amoniak 30 – 300 ppm

sklady ledku, výroba k. dusičné (via Habber-Bosch)

TGS825 sulfan 5 –100 ppm plynárny, ČOV

TGS822 Alkoholy, toluen, xylen, obecné VOC

50 – 5000 ppm

policejní detektory, čistírny, laboratoře

TGS830, 831, 832

CFC, HCFC, HFC 100 – 3000 ppm

úniky chladiva z ledniček, provozy s CFC

Ostatní

TGS4160 CO2 400 – 20 000 ppm

kontrola vzduchotechniky, kontrola fermentačních procesů

TGS2106 Výfukové plyny spalovacích motorů

STK

TGS2201 Výfukové plyny spalovacích a vznětových motorů

STK

1 ppm je part per milion (srovnej procenta, promile a ppb (bilion je angl. miliarda!!!))

Figaro sensor na ethanolTGS2620

Figaro sensor na propan-butanTGS2610

MMOS• Mixed Metal Oxide Sensor• Směs SnO2, WO3, Cr2TiO3

• Vyhřívání na 100 až 500°C

A

U UR II R= ⇒ =

Vkládá se konstantní napětí, měří se proud

Redukující plyn (sám se oxiduje): A A+ + e-• více elektronů• větší vodivost • nižší odpor

Oxidující plyn (sám se redukuje):B + e- B-

• méně elektronů• menší vodivost• vyšší odpor

Redukující plyn (sám se oxiduje): A A+ + e-• méně „děr“• menší vodivost • větší odpor

Oxidující plyn (sám se redukuje):B + e- B-

• více „děr“• větší vodivost• menší odpor

Uspořádání sensoru:

Perličkový

+ méně citlivý na interference

+ snadnější výroba

Plošný

- citlivý na vlhkost

+ rychlejší odezva

SENSORY ZALOŽENÉ NA MĚŘENÍ ZMĚN TEPLOTY

Pyroelektrické senzory

• Nejčastější aplikace v zabezpečovací technice

• Používají pyroelektrické materiály, které se vykazují jevem podobným piezoelektrickému, polarizaci materiálu však způsobuje teplota

• Typickým materiálem je LiTaO3• Touto strukturou je možné měřit změny teploty až 10-5 °C

Kalorimetrické sensory: pelistory

• Založeny na katalytickém spalování plynů• Pro SPALITELNÉ plyny!!!• Spalné teplo ohřívá měřící element, čímž se mění jeho elektrický

odpor

Režim neizotermní:

• teplota citlivého elementu roste v závislosti na průběhu reakce• údaj o koncentraci hořlavé látky je odvozen z nárůstu teploty senzoru• výstupní napěťový signál je úměrný koncentraci hořlavého plynu• pro vyhodnocování signálu se používá dvou metod:

můstek s konstantním napájecím napětímmůstek s konstantním napájecím proudem

Režim izotermní:

• napájení se upravuje automaticky tak, aby citlivý element mělkonstantní teplotu

• elektrický příkon, potřebný k udržování konstantní teplotyměřicího pelistoru i v přítomnosti hořlavé látky, je pak úměrný jejíkoncentraci

Pelistor: pracovní režim

SENSORY KOLEM NÁS

Lambda sonda

• Slouží k zajištění poměru vzduchu a paliva 14,6:1, aby spalováníprobíhalo za stechiometrických podmínek.

• Lambda sonda pracuje při teplotě 600 – 1000°C.

Schéma článku:PO2 (ref), Pt|Y2O3-ZrO2 |Pt, PO2 (test)Elektrodové reakce:4e- + O2(test) 2O2

2-

2O22- 4e- + O2(ref)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

)(2

)(2ln4

test

ref

O

O

P

P

FRTE

Systémy pro klinické laboratoře

COBAS Integra 80072 metod „on the board“855 testů/hod• Absorpční fotometrie: Enzymy a substráty

• Turbidimetrie: Specifické proteiny, DAT

• Fluorescenční polarimetrie: TDM

• ISE: Na+, K+, Cl–

E. Bakker et al. / Analytica Chimica Acta 393 (1999) 11-18

Analyzátory OPTI firmy ROCHE -řešení kritických situací

ELEKTRONICKÉNOSY/JAZYKY

Insent (Anritsu) SA402B

4 neselektivní potenciometrické elektrody + 1 referentní

založeno na membránách s umělými lipidy

• sladké• slané• kyselé• hořké• umami

Alpha M.O.S.: Astree

Jediný komerčně „dotažený“ elektronický jazyk

včetně aplikačních a technických listů

http://www.alpha-mos.com/

Elektronické jazyky: senzorová polePole senzorů – kombinace více senzorů s ODLIŠNOU selektivitou. Jednotlivé senzory nemusí být 100% selektivní.

Plzeňské pivo

1 2 3 4 5 6 7 8

Popovické pivo

1 2 3 4 5 6 7 8

• Metoda „kouknu a vidím“

• Statistické metody (LDA, PCA, PCR, PLS,...)

• Metody shlukovací analýzy (KNN, ROI,...)

• Neuronové sítě (FF-ANN, Kohonenovy sítě,...)

Techniky rozpoznávání vzorů

Techniky rozpoznávání vzorů: PCA

02

46

810

1214 0

12

34

56

78

0

2

4

6

8

10

12

Senz

or3

Senzor2Senzor1

senzor1 senzor2 senzor3vzorek1 12.0 5.1 12.0vzorek1 12.1 5.0 12.1vzorek1 11.8 4.8 11.8vzorek1 11.9 4.9 11.9vzorek2 5.1 1.0 12.0vzorek2 5.0 0.9 12.1vzorek2 4.8 0.8 11.8vzorek2 4.9 1.1 11.9vzorek3 1.0 7.0 1.0vzorek3 0.9 7.1 0.9vzorek3 0.8 6.9 0.8vzorek3 1.1 7.0 1.1vzorek4 7.0 7.0 5.1vzorek4 7.1 7.1 5.0vzorek4 6.9 6.9 4.8vzorek4 7.0 7.0 4.9vzorekX 5.0 1.0 12.0

senzor1 senzor2 senzor3vzorek1 12.0 5.1 12.0vzorek1 12.1 5.0 12.1vzorek1 11.8 4.8 11.8vzorek1 11.9 4.9 11.9vzorek2 5.1 1.0 12.0vzorek2 5.0 0.9 12.1vzorek2 4.8 0.8 11.8vzorek2 4.9 1.1 11.9vzorek3 1.0 7.0 1.0vzorek3 0.9 7.1 0.9vzorek3 0.8 6.9 0.8vzorek3 1.1 7.0 1.1vzorek4 7.0 7.0 5.1vzorek4 7.1 7.1 5.0vzorek4 6.9 6.9 4.8vzorek4 7.0 7.0 4.9vzorekX 5.0 1.0 12.0

PC_01 PC_02 PC_03vzorek1 1.2 1.2 0.1vzorek1 1.3 1.2 0.0vzorek1 1.2 1.1 0.0vzorek1 1.2 1.1 0.0vzorek2 1.3 -1.1 0.0vzorek2 1.3 -1.2 0.0vzorek2 1.2 -1.2 0.0vzorek2 1.2 -1.1 0.0vzorek3 -2.0 -0.4 0.0vzorek3 -2.1 -0.4 0.0vzorek3 -2.1 -0.5 0.0vzorek3 -2.0 -0.4 0.0vzorek4 -0.7 0.7 0.0vzorek4 -0.8 0.8 0.0vzorek4 -0.8 0.7 -0.1vzorek4 -0.8 0.7 -0.1vzorekX 1.3 1.1 0.0

PCA Matlab, Unscrambler, Excel, LabView, ...

Techniky rozpoznávání vzorů:

PC_01 PC_02 PC_03vzorek1 1.2 1.2 0.1vzorek1 1.3 1.2 0.0vzorek1 1.2 1.1 0.0vzorek1 1.2 1.1 0.0vzorek2 1.3 -1.1 0.0vzorek2 1.3 -1.2 0.0vzorek2 1.2 -1.2 0.0vzorek2 1.2 -1.1 0.0vzorek3 -2.0 -0.4 0.0vzorek3 -2.1 -0.4 0.0vzorek3 -2.1 -0.5 0.0vzorek3 -2.0 -0.4 0.0vzorek4 -0.7 0.7 0.0vzorek4 -0.8 0.8 0.0vzorek4 -0.8 0.7 -0.1vzorek4 -0.8 0.7 -0.1vzorekX 1.3 1.1 0.0

68.93% 31.02% 0.05%

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0PC_01

PC_0

2

vzorek1vzorek2vzorek3vzorek4vzorekX

Techniky rozpoznávání vzorů:

Major companies among which ingredients producers, processedfood or beverage manufacturers, that are using Alpha MOS Electronic Nose & Electronic Tongue tell about their advantages:

Electronic Nose & Electronic Tongue User Testimonials

Products grouping based on sensory attributes(E-Nose & E-Tongue analyses)

• Flavor analysis of diet food (FOX E-Nse), Insudiet, France • Development of food ingredients (FOX E-Nose), Wild Flavors, USA• Quality of food ingredients (FOX E-Nose), CP Kelco, USA• Flavors & seasonines development (FOX E-Nose), Kvowa Hakko, Japan• Aroma quality of dairy products (FOX E-Nose), The New Zealand Dairy Research Institute, New Zealand

Literatura• Brian R. Eggins: Analytical Techniques in the Sciences: Chemical

Sensors and Biosensorshttp://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/bookhome/114189770

• Joseph Wang: Analytical Electrochemistry (Second Edition)http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/bookhome/93513893

• CHEMICKÉ SENSORY A BIOSENSORYprof. RNDr. František Opekar, CSc. Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, katedra analytickéchemie, Albertov 2030, 128 40 Praha 2

• ELEKTROCHEMICKÁ DETEKCE POŠKOZENÍ A HYBRIDIZACE DNA doc. RNDr. Miroslav Fojta, CSc. Biofyzikální ústav AVČR, Královopolská 135, 612 65 Brno

Zkušební otázky• Jak funguje membránová iontově selektivní elektroda, nakreslete její

schéma. Uveďte jeden příklad biosensoru, který je založen na iontověselektivní elektrodě, a stručně popište princip jeho funkce.

• Popište princip, na kterém pracuje Clarkovo čidlo, jak jej lze modifikovat, pro jaké úlohy je vhodné.

• Nakreslete kalibrační křivku pro dva reálné potenciometrické sensory, vyznačte detekční limity, oblast linearity, citlivost. Jak se změní kalibračníkřivka v přítomnosti vysoké koncentrace interferentu?

• Co je to selektivita senzoru, jak se uplatňuje při měření, jak ji lze zlepšit. Uveďte dva různé příklady

• Popište koncept elektronické elektronického jazyku a nosu.

• Nakreslete funkční schéma a popište nejdůležitější senzor používaný v moderních spalovacích motorech a jeho funkci.

• Jak fungují senzory MMOS a jak se liší od senzorů TGS.