Układ czujników chemicznych
Układ czujników chemicznych to architektura czujników z wieloma komponentami czujników, które tworzą wzorzec wykrywania analitu na podstawie addytywnych odpowiedzi poszczególnych komponentów czujników. Istnieje kilka rodzajów układów czujników chemicznych, w tym urządzenia elektroniczne, optyczne, akustyczne i potencjometryczne. Te układy czujników chemicznych mogą wykorzystywać wiele typów czujników, które reagują krzyżowo lub są dostrojone do wykrywania określonych analitów.
Przegląd
Definicja
Komponenty matrycy sensorycznej to indywidualne sensory, które dobierane są na podstawie ich indywidualnych właściwości sensorycznych (tj. metody detekcji, specyficzności dla określonej klasy analitów i interakcji molekularnych). Komponenty czujnika są dobierane tak, aby reagować na jak największą liczbę analitów; tak więc, chociaż czułość i selektywność poszczególnych elementów czujnika jest różna, czujniki mają efekt addytywny, tworząc nieselektywny odcisk palca dla konkretnego analitu po połączeniu w architekturę macierzy. Rozpoznawanie linii papilarnych umożliwia wykrywanie analitów w mieszaninach. Macierze czujników chemicznych różnią się od innych testów obejmujących wiele analitów, takich jak do analizy moczu , który wykorzystuje wiele specyficznych materiałów czujników do ukierunkowanego wykrywania analitów w mieszaninie; zamiast tego matryce czujników chemicznych opierają się na reaktywności krzyżowej poszczególnych elementów czujnika w celu generowania odcisków palców w oparciu o addytywne reakcje składników czujnika na docelowy analit.
Porównanie z innymi czujnikami chemicznymi
Urządzenia z pojedynczym czujnikiem wykrywają docelowe anality na podstawie właściwości fizycznych, optycznych i elektronicznych. Niektóre czujniki zawierają specyficzne cele molekularne, aby zapewnić silne i specyficzne wiązanie z określonym analitem; jednakże, chociaż to podejście jest specyficzne, złożona wydajność czujnika uderzenia mieszanki. Kilka z tych złożonych mieszanin zawiera zapachy i opary wydychane z płuc. Poszczególne czujniki chemiczne często wykorzystują kontrolowane środowiska wykrywania, a zmiany warunków otoczenia (np. temperatury i wilgotności ) mogą zakłócać działanie czujnika. Macierze czujników chemicznych wykorzystują rozpoznawanie wzorców odpowiedzi kombinatorycznych reagujących krzyżowo komponentów czujników, aby umożliwić wykrywanie różnorodnych mieszanin w różnych warunkach. Układy czujników chemicznych są często postrzegane jako naśladujące pięć zmysłów — słuch , smak , węch , somatosensację i wzrok — ponieważ kombinatoryczne reakcje na różne składniki układu poszczególnych analitów tworzą odciski palców dla określonych analitów lub mieszanin, wykorzystując zarówno ukierunkowane interakcje molekularne, jak i wzór uznanie.
Historia
Historia układów czujników chemicznych jest ściśle powiązana z rozwojem innych technologii czujników chemicznych, a badania w dziedzinie elektronicznych czujników chemicznych rozpoczęły się w latach 60. Ludzie są w stanie zidentyfikować i rozróżnić około 10 000 zapachów lub więcej, mając tylko 400 receptorów węchowych . Przetwarzanie sygnału w mózgu odpowiedzi poszczególnych składowych macierzy receptorów węchowych skutkuje rozpoznawaniem wzorców w celu rozróżnienia określonego zapachu. Jednym z celów projektowych wielu układów czujników chemicznych jest naśladowanie działania węchu w celu zaprojektowania elektronicznego nosa zintegrowanego z różnymi materiałami. Połączenie tablic czujników chemicznych z metodami rozpoznawania wzorców naśladuje biologiczne metody rozpoznawania sensorycznego. Patrz rysunek 1 . Dostępne w handlu elektroniczne systemy nosowe istnieją i są stosowane w przemyśle spożywczym do kontroli jakości. Obecne wysiłki badawcze wskazują na wprowadzenie elektronicznego nosa do monitorowania środowiska i medycyny, zarówno jako instrumentów komercyjnych, jak i konsumenckich urządzeń elektronicznych do noszenia. W centrum układów czujników chemicznych leży zasada, że różne anality będą różnie oddziaływać z różnymi materiałami. W związku z tym w matrycy czujników można zastosować dowolny rodzaj materiału, o ile różnie reaguje on na różne anality lub mieszaniny. Z tego pomysłu, układy czujników reagujących krzyżowo stały się przedmiotem rozwoju układów czujników chemicznych ze względu na ich szeroką kompatybilność ze związkami jako składnikami mieszanin.
Przetwarzanie sygnału tablicowego
Sygnały pochodzące z czujnika matrycowego muszą zostać przetworzone i porównane ze znanymi już wzorcami. Wiele technik jest przydatnych w przetwarzaniu danych tablicowych, w tym analiza głównych składowych (PCA), analiza najmniejszych kwadratów , a ostatnio szkolenie sieci neuronowych i wykorzystanie uczenia maszynowego do opracowywania i identyfikacji wzorców. Uczenie maszynowe to nowszy wynalazek w zakresie generowania i rozpoznawania wzorców danych z matrycy czujników chemicznych. Wybrana metoda analizy danych zależy od wielu czynników, w tym parametrów wykrywania, pożądanego wykorzystania informacji (ilościowych lub jakościowych) oraz metody wykrywania, którą można podzielić na cztery główne typy układów czujników chemicznych: elektroniczne, optyczne, akustyczne tablice czujników falowych i elektrochemicznych.
Elektroniczne układy czujników chemicznych
Pierwszy typ matrycy czujników chemicznych opiera się na modulacji sygnału elektronicznego do akwizycji sygnału. Ten typ matrycy czujników chemicznych często wykorzystuje materiał półprzewodnikowy, taki jak półprzewodniki z tlenków metali , przewodzące polimery , nanomateriały lub materiały szkieletowe, takie jak szkielety metaloorganiczne i kowalencyjno-organiczne . Jedną z najprostszych architektur urządzeń dla elektronicznego czujnika chemicznego jest chemirezystor , a inne architektury obejmują kondensatory i tranzystory ; materiały te mają rezystancję, która może być zmieniana poprzez fizysorpcję lub chemisorpcję docelowych cząsteczek, a tym samym mierzalny sygnał w postaci zmiany prądu elektrycznego , pojemności lub napięcia .
Półprzewodniki metalowo-tlenkowe w elektronicznych układach czujników chemicznych
Półprzewodniki z tlenków metali zostały po raz pierwszy opisane w latach 60. XX wieku jako czujniki chemirezystorowe do wykrywania pojedynczych analitów par organicznych. Pierwsze dostępne na rynku czujniki chemirezystancyjne wykorzystywały półprzewodniki z tlenków metali do wykrywania tlenku węgla . Chociaż najbardziej znane z zastosowania w detektorach tlenku węgla , półprzewodniki z tlenku metalu są zdolne do wykrywania innych analitów poprzez strategiczne dostrojenie ich składu. Wysoka temperatura robocza wymagana do działania tych czujników sprawia, że półprzewodniki te są nieefektywne i reagują krzyżowo, zwłaszcza z wodą.
W latach 90. kilku naukowców z University of Warwick stworzyło pierwszą reaktywną krzyżowo (nieselektywną) matrycę półprzewodnikowych czujników tlenku metalu zintegrowaną z oprogramowaniem do rozpoznawania wzorców do wykrywania i rozróżniania oparów organicznych, w tym acetonu , etanolu , metanolu i ksylenu . w mieszaninach wieloanalitowych. Ten elektroniczny system nosowy był znany jako Warwick Nose i łączył dostępne w handlu półprzewodniki z tlenku cyny i krzemu w format matrycy do wykrywania gazu, patrz rysunek 2 . Obecne wysiłki zmierzają do rozwoju formatu macierzy półprzewodnikowych z tlenku metalu przy użyciu mikrowytwarzania , aby umożliwić projektowanie mniejszych macierzy i integrację komponentów przetwarzania sygnału w każdym komponencie macierzy. Te mikrourządzenia okazały się obiecujące dzięki obniżonym granicom wykrywalności i zwiększonej zdolności do rozróżniania lotnych związków organicznych i tlenku węgla z macierzami zawierającymi różne liczby urządzeń, a systemy te zmniejszają również ilość materiału czujnika z cienkimi warstwami tlenków metali. Wykazano również, że na czułość czujników wpływa zmiana stosunku metalu w każdym urządzeniu, a przetwarzanie danych wykorzystuje analizę najmniejszych kwadratów.
Innym przykładem półprzewodników z tlenku metalu są układy tranzystorów polowych z efektem półprzewodnika z tlenku metalu (MOSFET), które składają się z katalitycznie aktywnego metalu bramki (takiego jak pallad ) na warstwie dwutlenku krzemu na bazie krzemu typu p z domieszką n kanały sąsiadujące z bramą i były używane do wykrywania wodoru , amoniaku i etanolu. Te tranzystory MOSFET poprzez adsorbowany analit modulują funkcję pracy bramki półprzewodnikowej , co powoduje zmiany napięcia na całym urządzeniu. Tranzystory MOSFET są wysoce przestrajalne, ale ich reaktywność krzyżowa i wysokie temperatury pracy są ograniczone.
Samoistnie przewodzące polimery w elektronicznych matrycach czujników chemicznych
Kilka interesujących samoistnie przewodzących polimerów obejmuje poliacetylen , politiofen i polianilinę , a innym można nadać przewodnictwo w procesach obejmujących domieszkowanie chemiczne . Zasadniczą chemią leżącą u podstaw elektronicznego mechanizmu detekcji polimerów przewodzących jest modulacja przewodnictwa tych polimerów po zmianach ich struktury fizycznej (pęcznienie) w wyniku interakcji z anality (głównie poprzez absorpcję). Zaletą stosowania polimerów przewodzących w matrycach czujników jest syntetyczny dostęp do ogromnej biblioteki polimerów. W rezultacie polimery przewodzące stanowią obiecującą alternatywę dla półprzewodników z tlenków metali, ponieważ można wykorzystać większą liczbę czujników o różnych funkcjach do zaprojektowania solidniejszej matrycy dostosowanej do określonych zastosowań. Tożsamość monomeru, warunki polimeryzacji i metody wytwarzania urządzeń wpływają zarówno na właściwości morfologiczne, jak i chemiczne polimerów przewodzących, co również przyczynia się do większej różnorodności możliwych komponentów macierzy, które można zaprojektować. Ograniczenia przewodzących matryc polimerowych są podobne do ograniczeń analogów z pojedynczym czujnikiem, ponieważ ścieżki transdukcji sygnału przez materiał polimerowy są słabo poznane i oba mają trudności z wykryciem niepolarnych z powodu minimalnej adsorpcji na polimerze. Dostępnych jest kilka dostępnych na rynku systemów, które są stosowane w analizie żywności i wykrywaniu lotnych związków organicznych ; jednak postęp w rozwoju układów czujników chemirezystywnych wykorzystujących polimery przewodzące zmniejszył się wraz z rozwojem innych materiałów i metod wykrywania.
Nanomateriały w elektronicznych matrycach czujników chemicznych
Opracowanie nowych nanomateriałów, takich jak grafen , nanorurki węglowe oraz materiały szkieletowe 2D i 3D, zostało zgłoszone jako nowe klasy materiałów do zastosowań w elektronicznych matrycach czujników chemicznych. W przypadku nanorurek grafenowych i węglowych funkcjonalizacja powierzchni poprzez modyfikację kowalencyjną lub niekowalencyjną oraz defekty na krawędzi są wykorzystywane jako miejsca interakcji gospodarz-gość . Jednym z takich przykładów są jednościenne nanorurki węglowe modyfikowane różnymi metaloporfirynami w celu umożliwienia rozróżniania lotnych związków organicznych .
Przewodzące materiały szkieletowe w elektronicznych układach czujników chemicznych
Przewodzące materiały ramowe mają podobne mechanizmy wykrywania; jednak materiały te mogą być zaprojektowane z zainstalowanymi miejscami aktywnymi dostosowanymi do określonych interakcji molekularnych. Bimetaliczne metaloftalocyjaninowe struktury metaloorganiczne (MOF) i kowalencyjne struktury organiczne (COF) okazały się obiecujące w chemirezystorach z pojedynczym urządzeniem do wykrywania siarkowodoru , amoniaku i tlenku azotu . Rozwój tych materiałów jako chemirezystorów umożliwia strategiczne projektowanie macierzy zdolnych do ukierunkowanych interakcji molekularnych, które można wykorzystać do opracowania komponentów macierzy dostosowanych do wykrywania określonych związków. Badania obliczeniowe kilku MOF skupiły się również na optymalizacji, które kombinacje MOF najlepiej nadają się do wykrywania poszczególnych składników w różnych mieszaninach. Skupienie się na opracowywaniu komponentów macierzy ramowej wykazało możliwość eksperymentalnego i obliczeniowego zaprojektowania solidnych matryc czujników.
Elektroniczne układy czujników chemicznych z różnych materiałów
Podjęto wysiłki, aby przezwyciężyć specyficzne ograniczenia różnych klas materiałów nadających się do stosowania w układach elektronicznych czujników chemicznych, łącząc czujniki wykonane z różnych materiałów w jeden układ. Jednym z przykładów są nanoprzewody z tlenku metalu pokryte cienkimi warstwami MOF, które, jak doniesiono, mają lepszą wydajność wykrywania w porównaniu z czujnikami wykonanymi z poszczególnych materiałów. sadzy i polimeru wykazały również lepszą dyskryminację analitów i sygnały elementów macierzy, co umożliwiło lepsze wykrywanie lotnych związków organicznych zarówno w różnych klasach, jak iw obrębie tej samej klasy.
Polimery z nadrukiem molekularnym zostały również włączone do formatów macierzy i okazały się przydatne, ponieważ proces imprintingu umożliwia dostosowanie macierzy polimerowych z nadrukiem molekularnym do określonych analitów.
Macierze optycznych/kolorymetrycznych czujników chemicznych
Oddzielone od elektronicznych układów czujników chemicznych są układy optycznych czujników chemicznych, które badają oddziaływania chemiczne między docelowymi analitami a materiałem wykrywającym za pomocą światła ( ultrafioletowego , widzialnego , podczerwonego ). Ogólnie rzecz biorąc, czujniki optyczne badają interakcje chemiczne ze światłem za pomocą różnych wymiernych metod, w tym absorbancji , dyfrakcji , fluorescencji , refrakcji i rozpraszania . Ogólnie czujniki fluorescencyjne wykazują większą czułość niż inne metody optyczne. Czujniki optyczne składają się ze źródła światła, filtrów długości fali, próbki i detektora, przy czym konstrukcja czujnika różni się w zależności od zastosowanej metody. Podobnie jak w przypadku elektronicznego nosa, układy optycznych czujników chemicznych zostały sklasyfikowane pod wspólnym tematem nosa optoelektronicznego i działają podobnie, opracowując odciski palców dla określonych związków i wykorzystując rozpoznawanie wzorców do identyfikacji tych składników w mieszaninie. Rysunek 2 . pokazuje zasady leżące u podstaw układów czujników kolorymetrycznych i fluorometrycznych. Interakcje chemiczne z barwnikami powodują wykrywanie zmian światła w czujniku optycznym.
Czujniki optyczne wymagają selektywnej interakcji z analitami i wymagane są dwa komponenty: materiał sondy oraz chromo- lub fluorofor . Macierze optyczne i fluorescencyjne reagujące krzyżowo wymagają strategicznego rozważenia interakcji molekularnych między sondami i analitami. Podobnie jak układy elektrycznych czujników chemicznych, układy optycznych czujników chemicznych napotykają wyzwania związane z wykrywaniem w obecności konkurencyjnych analitów, takich jak woda. Uwzględnienie interakcji między gospodarzem a gościem umożliwia macierz sondowanie różnych cech molekularnych, ponieważ integracja „rozwiązłych czujników” (nieselektywnych), takich jak optycznie aktywne polimery, umożliwia niedyskryminacyjne wykrywanie różnych związków, głównie w oparciu o hydrofobowość, a więc -nazywane „monogamicznymi” czujnikami z wyłącznym powiązaniem z określonym analitem (podobnie jak konstrukcja z zamkiem i kluczem) zwiększą specyficzność i przydatność matrycy czujników kolorymetrycznych. Niezależnie od rodzaju sondy czujnikowej istnieje pięć głównych typów interakcji międzycząsteczkowych , które prowadzą do mierzalnej zmiany kolorymetrycznej materiału.
Oddziaływania kwasowo-zasadowe Brønsteda-Lowry'ego w kolorymetrycznych układach czujników chemicznych
Oddziaływania kwasowo-zasadowe Brønsteda-Lowry'ego, takie jak interakcje barwników powszechnie stosowanych jako wskaźniki pH , są jedną z najwcześniejszych metod wykrywania kolorymetrycznego. Od początku XX wieku naturalne barwniki, takie jak 7-hydroksyohenoksazon ( lakmus ) i barwnik antocyjanowo- oksoniowy, były stosowane zarówno jako wskaźniki pH, jak i czujniki kolorymetryczne. Opracowano wiele innych chromoforów z kwasowo-zasadową funkcjonalnością Brønsteda-Lowry'ego, takich jak barwniki azowe , nitrofenole , ftaleiny i sulfoftaleiny . Funkcjonalność kwasowo-zasadowa Brønsteda-Lowry'ego tych chromoforów odnosi się do określonych ugrupowań chemicznych w ich strukturach i odpowiadających im pKa . Zmiany koloru wynikające ze protonowania / deprotonowania można ogólnie zdefiniować jako interakcje międzycząsteczkowe z kwasem lub zasadą o określonej sile i/lub stężeniu.
Oddziaływania kwasowo-zasadowe Lewisa w kolorymetrycznych układach czujników chemicznych
Podczas gdy oddziaływania kwasowo-zasadowe Brønsteda-Lowry'ego są wrażliwe na szeroki zakres związków, oddziaływania kwasowo-zasadowe Lewisa obejmują jedne z najbardziej wrażliwych zestawów oddziaływań międzycząsteczkowych istotnych dla kolorymetrycznych układów czujników chemicznych. Selektywność oddziaływań kwasów i zasad Lewisa w wykrywaniu chemicznym jest podkreślona przez fakt, że najbardziej ostre zapachy powstają z zasad Lewisa ( tiole , fosfiny , aminy ) i receptorów węchowych zawierających kationy metali, wykorzystywanych do ich wykrywania przy najniższych stężenia wszystkich motywów molekularnych w biologii wykorzystują receptory kwasu Lewisa. Barwniki kwasowe Lewisa (mianowicie kationy metali z otwartym miejscem koordynacyjnym ) są używane w biologicznym węchu do wykrywania. W związku z tym kwasy Lewisa, takie jak metaloporfiryny, są szczególnie interesujące dla badaczy opracowujących czujnik kolorymetryczny ze względu na ich silne oddziaływania kwasowo-zasadowe Lewisa.
Inne interakcje w kolorymetrycznych układach czujników chemicznych
Plik:Cyranose 320 Labelled.jpg
Wykazano, że wiele innych odwracalnych oddziaływań molekularnych powoduje zmiany koloru po interakcji z anality. Należą do nich aktywne chromo- i fluorofory redoks , które ulegają specyficznym zmianom koloru przy różnych przyłożonych potencjałach. Istnieje również wiele barwników, takich jak merocyjanina i azobenzen , które wykazują zmiany koloru w zależności od polarności ich środowiska. Mechanizm „push-pull” gęstości elektronów w tych układach poprzez interakcje międzycząsteczkowe skutkuje zwiększeniem ich momentów dipolowych między stanem podstawowym a wzbudzonym , co objawia się obserwowalnymi zmianami przejścia optycznego . Rozwój nanomateriałów umożliwił modyfikację powierzchni niektórych barwników (zwłaszcza barwników aktywnych redoks) w celu uzyskania wysokiej czułości dzięki większemu stosunkowi pola powierzchni do objętości, co skutkuje większą liczbą aktywnych miejsc interakcji analitu z barwnikami.
Wytwarzanie kolorymetrycznej matrycy czujników chemicznych
W przeciwieństwie do materiałów stosowanych w elektronicznych matrycach czujników chemicznych, w których bezpośrednia interakcja między materiałem czujnikowym a analitem prowadzi do transdukcji sygnału w postaci zmiany przewodnictwa lub napięcia, wytwarzanie kolorymetrycznych matryc czujników wymaga uwzględnienia zarówno interakcji analitu z podłożem, jak i transdukcji sygnał optyczny. Jedna metoda wytwarzania matrycy czujników kolorymetrycznych polega na przygotowaniu mikrosfer przez zawieszenie barwników w obojętnej i przezroczystej matrycy. Te mikrosfery są następnie włączane do światłowodów . Inne metody wytwarzania matryc czujników kolorymetrycznych obejmują drukowanie matryc barwników fluorowych i kolorymetrycznych (bezpośrednio lub w nanoporowatej matrycy) na różnych podłożach, w tym na papierze , żelu krzemionkowym lub porowatych membranach polimerowych .
Włączenie cyfrowego obrazowania i/lub oświetlenia elementów matrycy optycznych czujników chemicznych umożliwia szybką transdukcję sygnału w czasie rzeczywistym pomiarów danych kolorymetrycznych w czasie rzeczywistym danych kolorymetrycznych i fluorescencyjnych z mikrosfer lub czujników platerowanych. Detektory mogą przetwarzać określone długości fal światła lub wykorzystywać do przetwarzania obrazu RGB do analizy danych uzyskanych z bezpośredniego obrazowania matrycy czujników. Podobnie jak układy elektronicznych czujników chemicznych, układy optycznych czujników chemicznych są miniaturyzowane przy użyciu mikrowytwarzania w celu zwiększenia możliwości zastosowania. Niedawne postępy w układach czujników optyczno-chemicznych zaowocowały bezpośrednią integracją układów czujników z płaskimi skanerami i elektroniką mobilną, taką jak smartfony (poprzez wytwarzanie mikropłytek). Te macierze mikropłytek umożliwiają analizę kolorymetryczną złożonych mieszanin w różnych fazach z zastosowaniami w identyfikacji toksycznych chemikaliów przemysłowych przy użyciu reagujących krzyżowo nanoporowatych pigmentów, diagnostyce raka przy użyciu szeregu nanocząstek złota i zielonych białek fluorescencyjnych oraz opracowywaniu i ocenie kombinatorycznych bibliotek kompleksy metal-barwnik jako same czujniki.
Inne typy układów czujników chemicznych
Chociaż są mniej powszechne, istnieją dwie inne klasyfikacje urządzeń o wykazanej funkcjonalności jako matryce czujników chemicznych. Należą do nich urządzenia falowe i czujniki elektrochemiczne.
Urządzenia falowe jako matryce czujników chemicznych
Istnieje kilka głównych typów urządzeń falowych, w tym urządzenia fal akustycznych, rezonatory w trybie ścinania grubości (TSM) i mikrowagi z kryształu kwarcu . Urządzenia te oscylują ze znanymi częstotliwościami, a ich częstotliwości oscylacji są modulowane przez zmiany masy urządzenia. Urządzenia te można modyfikować za pomocą wielu materiałów, które zostały już omówione jako użyteczne materiały w matrycy czujników chemicznych. Wszystkie te materiały charakteryzują się szeroką kompatybilnością ich interakcji międzycząsteczkowych, a także selektywnymi interakcjami z różnymi związkami, które po połączeniu pozwalają na wykrywanie odcisków palców związków w mieszaninach.
Modyfikacja urządzeń falowych za pomocą materiałów, takich jak wsporniki z tlenku metalu poddane mikroobróbce, powlekane filmami polimerowymi, umożliwia lepsze wykrywanie mieszanin lotnych związków organicznych, a także gazowego wodoru i par rtęci . Masowe i powierzchniowe urządzenia fal akustycznych są stosowane w czujnikach wyższego rzędu, w których materiał wykrywający powoduje powstanie wielu trybów transdukcji sygnału, takich jak elektryczny i optyczny; dodatkowo te same urządzenia falowe zostały również wykorzystane do stworzenia wirtualnych układów czujników chemicznych, w których dane z jednego elementu czujnika są dalej przetwarzane. Układ czujników chemicznych składający się z mikrowag z kryształu kwarcu o zmodyfikowanej powierzchni z różnymi materiałami, w tym ftalocyjaniną miedzi, jedno- i wielościennymi nanorurkami węglowymi, okazał się obiecującym elektronicznym nosem do wykrywania gazów, gdy do przetwarzania danych zastosowano algorytmy uczenia maszynowego.
Macierze czujników elektrochemicznych
Inną klasą urządzeń stosowanych w układach czujników chemicznych są elektrody. Powszechnie czujniki elektrochemiczne nazywane są językami elektronicznymi . Modyfikacja powierzchni elektrody w układzie wieloelektrodowym pozwala na ukierunkowanie określonych oddziaływań molekularnych. Półprzepuszczalne materiały membranowe umożliwiają wykonanie z elektrod czujników dzięki ich zdolności do selektywnego utleniania lub redukcji docelowych analitów. Jednym z przykładów jest wykorzystanie szeregu półprzepuszczalnych czujników membranowych wykonanych z polimerów potencjometrycznych, takich jak poli(chlorek winylu), które wykazały ich zdolność do monitorowania stężeń azotanów , azotynów i amonu w roztworach wodnych. Opracowano zarówno metody woltametryczne, jak i potencjometryczne, a technika ta jest aktywnym obszarem badań nie tylko wieloanalitycznej analizy roztworów wodnych, takich jak płyn mózgowo-rdzeniowy , ale także różnicowania produktów redoks w reakcjach elektrochemicznych.
Przykłady tablic czujników chemicznych z rzeczywistymi zastosowaniami
Istnieje wiele dobrze rozumianych i pojawiających się badań skupiających się na opracowywaniu układów czujników chemicznych do różnych zastosowań. Urządzenia analityczne zintegrowane z matrycą czujników chemicznych zostały zaproponowane jako testy diagnostyczne w kierunku raka , infekcji bakteryjnych na podstawie analizy odcisków palców wydychanego powietrza, a także do kontroli jakości żywności i produktów. Oto kilka przykładów:
- Badanie kliniczne urządzenia z matrycą czujników chemicznych wykonanych z nanocząstek złota połączonych z różnymi ligandami organicznymi zdolnymi do wykrywania infekcji COVID-19 .
- Handheld Electronic Nose (HEN) komercyjne urządzenie z matrycą czujników chemicznych, które umożliwia optymalizację fermentacji herbaty , patrz rysunek 3.
- WOLF eNose jest komercyjnie dostępnym systemem matryc czujników chemicznych wykorzystujących zarówno czujniki elektroniczne, jak i kolorymetryczne do wykrywania lotnych związków organicznych i został wykorzystany do wykrywania bakterii powodujących infekcje dróg moczowych .
- Cyranose 320 Electronic Nose to dostępny na rynku zestaw czujników chemicznych, składający się z 32 czujników z czarnego węgla i polimeru, zdolnych do identyfikacji sześciu bakterii powodujących infekcje oka z 96% dokładnością, patrz Ryc. 4 .