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Resistencia química

Esquema simplificado de un sensor quimiorresistivo de un solo espacio. (no está a escala)

Un quimiorresistor es un material que cambia su resistencia eléctrica en respuesta a cambios en el entorno químico cercano. [1] Los quimiorresistores son una clase de sensores químicos que dependen de la interacción química directa entre el material sensor y el analito. [2] El material sensor y el analito pueden interactuar mediante enlaces covalentes , enlaces de hidrógeno o reconocimiento molecular . Varios materiales diferentes tienen propiedades de quimiorresistor: óxidos metálicos semiconductores , algunos polímeros conductores , [3] y nanomateriales como grafeno , nanotubos de carbono y nanopartículas . Normalmente, estos materiales se utilizan como sensores parcialmente selectivos en dispositivos como lenguas electrónicas o narices electrónicas .

Un quimiorresistor básico consiste en un material de detección que cubre el espacio entre dos electrodos o recubre un conjunto de electrodos interdigitados . La resistencia entre los electrodos se puede medir fácilmente . El material de detección tiene una resistencia inherente que se puede modular por la presencia o ausencia del analito. Durante la exposición, los analitos interactúan con el material de detección. Estas interacciones provocan cambios en la lectura de la resistencia. En algunos quimiorresistores, los cambios de resistencia simplemente indican la presencia de analito. En otros, los cambios de resistencia son proporcionales a la cantidad de analito presente; esto permite medir la cantidad de analito presente.

Historia

Ya en 1965 se han publicado informes sobre materiales semiconductores que presentan conductividades eléctricas que se ven fuertemente afectadas por los gases y vapores ambientales. [4] [5] [6] Sin embargo, no fue hasta 1985 que Wohltjen y Snow acuñaron el término quimiorresistor . [7] El material quimiorresistivo que investigaron fue la ftalocianina de cobre , y demostraron que su resistividad disminuía en presencia de vapor de amoníaco a temperatura ambiente. [7]

En los últimos años, la tecnología de quimiorresistores se ha utilizado para desarrollar sensores prometedores para muchas aplicaciones, incluidos sensores de polímeros conductores para humo de segunda mano, sensores de nanotubos de carbono para amoníaco gaseoso y sensores de óxido metálico para gas hidrógeno. [2] [8] [9] La capacidad de los quimiorresistores de proporcionar información precisa en tiempo real sobre el medio ambiente a través de pequeños dispositivos que requieren un mínimo de electricidad los convierte en una adición atractiva a la Internet de las cosas . [8]

Tipos de sensores de quimiorresistencia

Una película de TiO2 que detecta oxígeno sobre un electrodo entrelazado. [10]

Arquitecturas de dispositivos

Los quimiorresistores se pueden fabricar recubriendo un electrodo interdigitado con una película fina o utilizando una película fina u otro material de detección para unir el espacio único entre dos electrodos. Los electrodos suelen estar hechos de metales conductores, como el oro y el cromo, que hacen un buen contacto óhmico con las películas finas. [7] En ambas arquitecturas, el material de detección quimiorresistente controla la conductancia entre los dos electrodos; sin embargo, cada arquitectura de dispositivo tiene sus propias ventajas y desventajas.

Los electrodos interdigitados permiten que una mayor cantidad de área de superficie de la película esté en contacto con el electrodo. Esto permite que se realicen más conexiones eléctricas y aumenta la conductividad general del sistema. [7] Los electrodos interdigitados con tamaños de dedo y espaciado de dedo del orden de micrones son difíciles de fabricar y requieren el uso de fotolitografía . [8] Las características más grandes son más fáciles de fabricar y se pueden fabricar utilizando técnicas como la evaporación térmica. Tanto los sistemas de electrodos interdigitados como los de un solo espacio se pueden organizar en paralelo para permitir la detección de múltiples analitos por un dispositivo. [11]

Materiales de detección

Óxidos metálicos semiconductores

Los sensores de resistencia química de óxido metálico se comercializaron por primera vez en 1970 [12] en un detector de monóxido de carbono que utilizaba SnO 2 en polvo . Sin embargo, hay muchos otros óxidos metálicos que tienen propiedades de resistencia química. Los sensores de óxido metálico son principalmente sensores de gas y pueden detectar gases oxidantes y reductores . [2] Esto los hace ideales para su uso en situaciones industriales donde los gases utilizados en la fabricación pueden suponer un riesgo para la seguridad de los trabajadores.

Los sensores fabricados con óxidos metálicos requieren altas temperaturas (200 °C o más) para funcionar porque, para que cambie la resistividad, se debe superar una energía de activación . [2]

Una monocapa de grafeno. [13]

Grafeno

En comparación con otros materiales, los sensores de quimiorresistencia de grafeno son relativamente nuevos, pero han demostrado una excelente sensibilidad. [14] El grafeno es un alótropo del carbono que consiste en una sola capa de grafito . [15] Se ha utilizado en sensores para detectar moléculas en fase de vapor, [16] [17] [18] pH, [19] proteínas, [19] bacterias, [20] y agentes de guerra química simulados. [21] [22]

Nanotubos de carbono

El primer informe publicado sobre el uso de nanotubos como quimiorresistores se realizó en 2000. [23] Desde entonces, se han realizado investigaciones sobre quimiorresistores y transistores de efecto de campo químicamente sensibles fabricados a partir de nanotubos individuales de pared simple , [24] haces de nanotubos de pared simple, [25] [26] haces de nanotubos de paredes múltiples , [27] [28] y mezclas de nanotubos de carbono y polímeros. [29] [30] [31] [32] Se ha demostrado que una especie química puede alterar la resistencia de un haz de nanotubos de carbono de pared simple a través de múltiples mecanismos.

Los nanotubos de carbono son materiales de detección útiles porque tienen límites de detección bajos y tiempos de respuesta rápidos; sin embargo, los sensores de nanotubos de carbono desnudos no son muy selectivos. [2] Pueden responder a la presencia de muchos gases diferentes, desde amoníaco gaseoso hasta humos diésel. [2] [9] Los sensores de nanotubos de carbono se pueden hacer más selectivos utilizando un polímero como barrera, dopando los nanotubos con heteroátomos o agregando grupos funcionales a la superficie de los nanotubos. [2] [9]

Electrodos circulares interdigitados con y sin película de quimiorresistencia de nanopartículas de oro

.

Nanopartículas

Se han incorporado muchas nanopartículas diferentes de tamaño, estructura y composición variables en sensores de quimiorresistencia. [33] [34] Las más utilizadas son películas delgadas de nanopartículas de oro recubiertas con monocapas autoensambladas (SAM) de moléculas orgánicas. [35] [36] [37] [38] [39] La SAM es fundamental para definir algunas de las propiedades del conjunto de nanopartículas. En primer lugar, la estabilidad de las nanopartículas de oro depende de la integridad de la SAM, que evita que se sintericen juntas. [40] En segundo lugar, la SAM de las moléculas orgánicas define la separación entre las nanopartículas, por ejemplo, las moléculas más largas hacen que las nanopartículas tengan una separación promedio más amplia. [41] El ancho de esta separación define la barrera que los electrones deben atravesar cuando se aplica un voltaje y fluye una corriente eléctrica. Por lo tanto, al definir la distancia promedio entre nanopartículas individuales, la SAM también define la resistividad eléctrica del conjunto de nanopartículas. [42] [43] [44] Finalmente, los SAM forman una matriz alrededor de las nanopartículas en las que las especies químicas pueden difundirse . A medida que nuevas especies químicas entran en la matriz, cambian la separación entre partículas, lo que a su vez afecta la resistencia eléctrica. [45] [46] Los analitos se difunden en los SAM en proporciones definidas por su coeficiente de partición y esto caracteriza la selectividad y sensibilidad del material del quimiorresistor. [41] [47]

Polimerización de un polímero alrededor de una molécula objetivo que luego se elimina dejando cavidades moldeadas.

Polímeros conductores

Los polímeros conductores como la polianilina y el polipirrol se pueden utilizar como materiales de detección cuando el objetivo interactúa directamente con la cadena de polímero, lo que da como resultado un cambio en la conductividad del polímero. [8] [48] Estos tipos de sistemas carecen de selectividad debido a la amplia gama de moléculas objetivo que pueden interactuar con el polímero. Los polímeros con impronta molecular pueden agregar selectividad a los quimiorresistores de polímeros conductores. [49] Un polímero con impronta molecular se fabrica polimerizando un polímero alrededor de una molécula objetivo y luego retirando la molécula objetivo del polímero dejando atrás cavidades que coinciden con el tamaño y la forma de la molécula objetivo. [48] [49] La impronta molecular del polímero conductor aumenta la sensibilidad del quimiorresistor al seleccionar el tamaño y la forma generales del objetivo, así como su capacidad para interactuar con la cadena del polímero conductor. [49]

Referencias

  1. ^ Florinel-Gabriel Banica, Sensores químicos y biosensores: fundamentos y aplicaciones , John Wiley and Sons, Chichester, 2012, capítulo 11, ISBN impreso  978-0-470-71066-1 ; ISBN web 0-470710-66-7 ; ISBN 978-1-118-35423-0 .  
  2. ^ abcdefg Khanna, VK (2012). Nanosensores: físicos, químicos y biológicos . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1-4398-2712-3.
  3. ^ "Chemiresistor - Microsensores químicos - Microsensores y microsistemas de sensores (MSTC)". Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2014. Consultado el 17 de diciembre de 2014 .
  4. ^ JI Bregman y A. Dravnieks Efectos de superficie en la detección, 1965: Spartan
  5. ^ F. Gutman y LE Lyons Semiconductores orgánicos, 1967: Wiley
  6. ^ Rosenberg, B.; Misra, TN; Switzer, R. (1968). "Mecanismo de transducción olfativa". Nature . 217 (5127): 423–427. Bibcode :1968Natur.217..423R. doi :10.1038/217423a0. PMID  5641754. S2CID  4157172.
  7. ^ abcd Wohltjen, H.; Barger, WR; Snow, AW; Jarvis, NL (1985). "Un quimiorresistor sensible al vapor fabricado con microelectrodos planos y una película semiconductora orgánica de Langmuir-Blodgett". IEEE Trans. Dispositivos electrónicos . 32 (7): 1170–1174. Bibcode :1985ITED...32.1170W. doi :10.1109/T-ED.1985.22095. S2CID  44662151.
  8. ^ abcd Liu, Yuan; Antwi-Boampong, Sadik; BelBruno, Joseph J.; Crane, Mardi A.; Tanski, Susanne E. (1 de septiembre de 2013). "Detección del humo de cigarrillo de segunda mano a través de la nicotina utilizando películas de polímero conductor". Nicotine & Tobacco Research . 15 (9): 1511–1518. doi :10.1093/ntr/ntt007. ISSN  1462-2203. PMC 3842131 . PMID  23482719. 
  9. ^ abc Azzarelli, Joseph M.; Mirica, Katherine A. ; Ravnsbæk, Jens B.; Swager, Timothy M. (23 de diciembre de 2014). "Detección inalámbrica de gas con un teléfono inteligente a través de comunicación por radiofrecuencia". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 111 (51): 18162–18166. Bibcode :2014PNAS..11118162A. doi : 10.1073/pnas.1415403111 . ISSN  0027-8424. PMC 4280584 . PMID  25489066. 
  10. ^ Wang, H.; Chen, L.; Wang, J; Sun, Q.; Zhao, Y. (2014). "Un micro sensor de oxígeno basado en una película delgada nano sol-gel de TiO2". Sensores . 14 (9): 16423–33. Bibcode :2014Senso..1416423W. doi : 10.3390/s140916423 . PMC 4208180 . PMID  25192312. 
  11. ^ Van Gerwen, Pedro; Laureyn, Wim; Laureys, Wim; Huyberechts, Guido; Op De Beeck, Maaike; Baert, Kris; Suls, enero; Sansen, Willy; Jacobs, P. (25 de junio de 1998). "Matrices de electrodos interdigitados a nanoescala para sensores bioquímicos". Sensores y Actuadores B: Químicos . 49 (1–2): 73–80. doi :10.1016/S0925-4005(98)00128-2.
  12. ^ ab Wilson, DM; Hoyt, S.; Janata, J.; Booksh, K.; Obando, L. (2001). "Sensores químicos para instrumentos de campo portátiles y manuales". IEEE Sensors Journal . 1 (4): 256–274. Bibcode :2001ISenJ...1..256W. doi :10.1109/7361.983465.
  13. ^ Kiani, MJ; Harun, FKC; Ahmadi, MT; Rahmani, M.; Saeidmanesh, M.; Zare, M. (2014). "Modulación de la conductancia de la bicapa lipídica cargada utilizando un transistor de efecto de campo de grafeno controlado por electrolito". Nanoscale Res Lett . 9 (9): 371. Bibcode :2014NRL.....9..371K. doi : 10.1186/1556-276X-9-371 . PMC 4125348 . PMID  25114659. 
  14. ^ Cooper, JS; Myers, M.; Chow, E.; Hubble, LJ; Pejcic, B.; et al. (2014). "Rendimiento de sensores de quimiorresistencia de grafeno, nanotubos de carbono y nanopartículas de oro para la detección de hidrocarburos de petróleo en agua". J. Nanoparticle Res . 16 (1): 1–13. Bibcode :2014JNR....16.2173C. doi :10.1007/s11051-013-2173-5. S2CID  97772800.
  15. ^ Rao, CNR; Govindaraj, A. (2005). Nanotubos y nanocables . Cambridge, Reino Unido: The Royal Society of Chemistry. ISBN 978-0-85404-832-8.
  16. ^ Schedin, F.; Geim, AK; Morozov, SV; Hill, EW; Blake, P.; et al. (2007). "Detección de moléculas de gas individuales adsorbidas en grafeno". Nature Materials . 6 (9): 652–655. arXiv : cond-mat/0610809 . Bibcode :2007NatMa...6..652S. doi :10.1038/nmat1967. PMID  17660825. S2CID  3518448.
  17. ^ Joshi, RK; Gomez, H.; Farah, A.; Kumar, A. (2007). "Películas y cintas de grafeno para la detección de O 2 y 100 ppm de CO y NO2 en condiciones prácticas". Journal of Physical Chemistry C . 114 (14): 6610–6613. doi :10.1021/jp100343d.
  18. ^ Dan, Y.; et al. (2009). "Respuesta intrínseca de sensores de vapor de grafeno". Nano Letters . 9 (4): 1472–1475. arXiv : 0811.3091 . Código Bibliográfico :2009NanoL...9.1472D. doi :10.1021/nl8033637. PMID  19267449. S2CID  23190568.
  19. ^ ab Ohno, Y.; et al. (2009). "Transistores de efecto de campo de grafeno controlados por electrolitos para detectar el pH y la adsorción de proteínas". Nano Letters . 9 (9): 3318–3322. Bibcode :2009NanoL...9.3318O. doi :10.1021/nl901596m. PMID  19637913.
  20. ^ Mohanty, N.; et al. (2008). "Biodispositivo de resolución de una sola bacteria basado en grafeno y transistor de ADN: interconexión de derivados de grafeno con biocomponentes a nanoescala y microescala". Nano Letters . 8 (12): 4469–4476. Bibcode :2008NanoL...8.4469M. doi :10.1021/nl802412n. PMID  19367973.
  21. ^ Robinson, JT; et al. (2008). "Sensores moleculares de óxido de grafeno reducido". Nano Letters . 8 (10): 3137–3140. Bibcode :2008NanoL...8.3137R. CiteSeerX 10.1.1.567.8356 . doi :10.1021/nl8013007. PMID  18763832. 
  22. ^ Hu, NT; et al. (2008). "Sensor de gas basado en óxido de grafeno reducido con p-fenilendiamina". Sensores y actuadores B: Química . 163 (1): 107–114. doi :10.1016/j.snb.2012.01.016.
  23. ^ Kong, J.; et al. (2000). "Cables moleculares de nanotubos como sensores químicos". Science . 287 (5453): 622–5. Bibcode :2000Sci...287..622K. doi :10.1126/science.287.5453.622. PMID  10649989.
  24. ^ Bradley, K.; et al. (2003). "Efectos de canal corto en sensores químicos de nanotubos pasivados por contacto". Appl. Phys. Lett . 83 (18): 3821–3. Código Bibliográfico :2003ApPhL..83.3821B. doi :10.1063/1.1619222.
  25. ^ Helbling, T.; et al. (2008). "Transistores de nanotubos de carbono suspendidos y no suspendidos para detección de NO2: una comparación cualitativa". Physica Status Solidi B . 245 (10): 2326–30. Bibcode :2008PSSBR.245.2326H. doi :10.1002/pssb.200879599. S2CID  124825726.
  26. ^ Maeng, S.; et al. (2008). "Matriz de sensores de NO2 de alta sensibilidad basada en uniones monocapa de nanotubos de carbono de pared simple sin decorar". Appl. Phys. Lett . 93 (11): 113111. Bibcode :2008ApPhL..93k3111M. doi : 10.1063/1.2982428 .
  27. ^ Penza, M.; et al. (2009). "Efectos de la reducción de interferencias en una mezcla binaria de gases en la adsorción de gas NO2 utilizando quimiorresistores basados ​​en películas en red de nanotubos de carbono". J. Phys. D: Appl. Phys . 42 (7): 072002. Bibcode :2009JPhD...42g2002P. doi :10.1088/0022-3727/42/7/072002. S2CID  98541592.
  28. ^ Wang, F.; et al. (2011). "Diversos quimiorresistores basados ​​en nanotubos de carbono de paredes múltiples modificados covalentemente". J. Am. Chem. Soc . 133 (29): 11181–93. doi :10.1021/ja201860g. hdl : 1721.1/74235 . PMID  21718043.
  29. ^ Bekyarova, E.; et al. (2004). "Nanotubos de carbono de pared simple funcionalizados químicamente como sensores de amoníaco". J. Phys. Chem. B . 108 (51): 19717–20. doi :10.1021/jp0471857.
  30. ^ Li, Y.; et al. (2007). "Características de detección de gas de tipo N de nanotubos de carbono de paredes múltiples modificados químicamente y compuestos de PMMA". Sens. Actuators, B . 121 (2): 496–500. doi :10.1016/j.snb.2006.04.074.
  31. ^ Wang, F.; et al. (2008). "Sensores quimiorresistivos de nanotubos de carbono/politiofeno para agentes de guerra química". J. Am. Chem. Soc . 130 (16): 5392–3. doi :10.1021/ja710795k. PMID  18373343.
  32. ^ Wei, C.; et al. (2006). "Sensores multifuncionales de vapor químico de nanotubos de carbono alineados y compuestos de polímeros". J. Am. Chem. Soc . 128 (5): 1412–3. doi :10.1021/ja0570335. PMID  16448087.
  33. ^ Franke, ME; et al. (2006). "Nanopartículas de metal y óxido de metal en quimiorresistores: ¿Importa la nanoescala?". Small . 2 (1): 36–50. doi :10.1002/smll.200500261. PMID  17193551.
  34. ^ Ibañez, FJ; et al. (2012). "Detección quimiorresistiva con nanopartículas de metales y aleaciones modificadas químicamente". Small . 8 (2): 174–202. doi :10.1002/smll.201002232. hdl : 11336/5227 . PMID  22052721.
  35. ^ Wohltjen, H.; y col. (1998). "Sensor quimiorresistor de conjunto metal-aislante-metal coloidal". Anal. Chem . 70 (14): 2856–9. doi :10.1021/ac9713464.
  36. ^ Evans, SD; et al. (2000). "Detección de vapor utilizando materiales nanoestructurados híbridos orgánicos-inorgánicos". J. Mater. Chem . 10 (1): 183–8. doi :10.1039/A903951A.
  37. ^ Joseph, Y.; et al. (2004). "Películas de nanopartículas de oro/enlazantes orgánicos: autoensamblaje, caracterización electrónica y estructural, composición y sensibilidad al vapor". Faraday Discussions . 125 : 77–97. Bibcode :2004FaDi..125...77J. doi :10.1039/B302678G. PMID  14750666.
  38. ^ Ahn, H.; et al. (2004). "Conductividad eléctrica y propiedades de detección de vapor de películas de nanopartículas de oro protegidas con ω-(3-tienil)alcanotiol". Química. Mater . 16 (17): 3274–8. doi :10.1021/cm049794x.
  39. ^ Saha, K.; et al. (2012). "Nanopartículas de oro en detección química y biológica". Chem. Rev. 112 ( 5): 2739–79. doi :10.1021/cr2001178. PMC 4102386. PMID 22295941  . 
  40. ^ Liu, J.last2=; et al. (2012). "Influencia de la funcionalización de la superficie y el tamaño de partícula en la cinética de agregación de nanopartículas diseñadas". Chemosphere . 87 (8): 918–24. Bibcode :2012Chmsp..87..918L. doi :10.1016/j.chemosphere.2012.01.045. PMID  22349061.{{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  41. ^ ab Raguse, B.; et al. (2009). "Sensores de quimiorresistencia de nanopartículas de oro en solución acuosa: comparación de películas de nanopartículas hidrófobas e hidrófilas". J. Phys. Chem. C . 113 (34): 15390–7. doi :10.1021/Jp9034453.
  42. ^ Terrill, RH; et al. (1995). "Monocapas en tres dimensiones: estudios de RMN, saxs, térmicos y de salto de electrones de cúmulos de oro estabilizados con alcanotiol". J. Am. Chem. Soc . 117 (50): 12537–48. doi :10.1021/ja00155a017.
  43. ^ Wuelfing, WPlast2=; et al. (2000). "Conductividad electrónica de cúmulos de au protegidos por monocapas, de valencia mixta y en estado sólido". J. Am. Chem. Soc . 122 (46): 11465–72. doi :10.1021/ja002367+.{{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  44. ^ Wuelfing, WP; et al. (2002). "Salto de electrones a través de películas de cúmulos de oro protegidos por monocapas de arenetiolato". J. Phys. Chem. B . 106 (12): 3139–45. doi :10.1021/jp013987f.
  45. ^ Raguse, B.; et al. (2007). "Sensores de quimiorresistencia de nanopartículas de oro: detección directa de compuestos orgánicos en solución electrolítica acuosa". Anal. Chem . 79 (19): 7333–9. doi :10.1021/ac070887i. PMID  17722880.
  46. ^ Müller, K.-H.; et al. (2002). "Modelo de percolación para la conducción de electrones en películas de nanopartículas metálicas unidas por moléculas orgánicas". Phys. Rev. B . 66 (7): 75417. Bibcode :2002PhRvB..66g5417M. doi :10.1103/Physrevb.66.075417.
  47. ^ Bohrer, FI; et al. (2011). "Caracterización de matrices densas de sensores de vapor de quimiorresistencia con características submicrométricas y capas de interfaz de nanopartículas estampadas". Anal. Química . 83 (10): 3687–95. doi :10.1021/ac200019a. PMID  21500770.
  48. ^ ab Huang, Jiyong; Wei, Zhixiang; Chen, Jinchun (25 de septiembre de 2008). "Nanocables de polipirrol con impronta molecular para el reconocimiento de aminoácidos quirales". Sensores y actuadores B: Química . 134 (2): 573–578. doi :10.1016/j.snb.2008.05.038.
  49. ^ abc Antwi-Boampong, Sadik; Mani, Kristina S.; Carlan, Jean; BelBruno, Joseph J. (1 de enero de 2014). "Un sensor selectivo de nanotubos de carbono y polímero con impronta molecular para la detección de cotinina". Journal of Molecular Recognition . 27 (1): 57–63. doi :10.1002/jmr.2331. ISSN  1099-1352. PMID  24375584. S2CID  5196220.

Véase también