Chemiresistor



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Um chemiresistor é um material que muda sua resistência elétrica em resposta a mudanças no ambiente químico próximo. Chemiresistores são uma classe de sensores químicos que dependem da interação química direta entre o material de detecção e o analito. O material de detecção e o analito podem interagir por ligação covalente , ligação de hidrogênio ou reconhecimento molecular . Vários materiais diferentes têm propriedades quimiosistor: semicondutores de óxido metálico , alguns polímeros condutores e nanomateriais como grafeno , nanotubos de carbono e nanopartículas . Normalmente, esses materiais são usados como sensores parcialmente seletivos em dispositivos como línguas eletrônicas ou narizes eletrônicos .

Um chemiresistor básico consiste em um material de detecção que preenche a lacuna entre dois eletrodos ou reveste um conjunto de eletrodos interdigitados . A resistência entre os eletrodos pode ser facilmente medida . O material de detecção tem uma resistência inerente que pode ser modulada pela presença ou ausência do analito. Durante a exposição, os analitos interagem com o material de detecção. Essas interações causam mudanças na leitura da resistência. Em alguns quimiorresistores, as mudanças de resistência simplesmente indicam a presença de analito. Em outros, as mudanças de resistência são proporcionais à quantidade de analito presente; isso permite que a quantidade de analito presente seja medida.

História

Já em 1965, há relatos de materiais semicondutores exibindo condutividades elétricas fortemente afetadas por gases e vapores ambientais. No entanto, foi somente em 1985 que Wohltjen e Snow cunharam o termo chemiresistor . O material quimio-resistivo que investigaram foi ftalocianina de cobre , e eles demonstraram que sua resistividade diminuía na presença de vapor de amônia em temperatura ambiente.

Nos últimos anos, a tecnologia chemiresistor tem sido usada para desenvolver sensores promissores para muitas aplicações, incluindo sensores de polímero condutivo para fumaça passiva, sensores de nanotubo de carbono para amônia gasosa e sensores de óxido de metal para gás hidrogênio. A capacidade dos chemiresistors de fornecer informações precisas em tempo real sobre o ambiente por meio de pequenos dispositivos que exigem o mínimo de eletricidade os torna uma adição atraente à Internet das coisas .

Tipos de sensores chemiresistor

Arquiteturas de dispositivos

Os quimiosistores podem ser feitos revestindo um eletrodo interdigitado com uma película fina ou usando uma película fina ou outro material de detecção para preencher a lacuna única entre dois eletrodos. Os eletrodos são normalmente feitos de metais condutores, como ouro e cromo, que fazem um bom contato ôhmico com filmes finos. Em ambas as arquiteturas, o material de detecção chemiresistant controla a condutância entre os dois eletrodos; entretanto, cada arquitetura de dispositivo tem suas próprias vantagens e desvantagens.

Eletrodos interdigitados permitem que uma parte maior da área de superfície do filme entre em contato com o eletrodo. Isso permite que mais conexões elétricas sejam feitas e aumenta a condutividade geral do sistema. Eletrodos interdigitados com tamanhos de dedos e espaçamento entre os dedos da ordem de mícrons são difíceis de fabricar e requerem o uso de fotolitografia . Recursos maiores são mais fáceis de fabricar e podem ser fabricados usando técnicas como evaporação térmica. Tanto o eletrodo interdigitado quanto os sistemas de lacuna única podem ser dispostos em paralelo para permitir a detecção de múltiplos analitos por um dispositivo.

Materiais de detecção

Semicondutores de óxido de metal

Os sensores quimiosistores de óxido de metal foram comercializados pela primeira vez em 1970 em um detector de monóxido de carbono que usava SnO 2 em pó . No entanto, existem muitos outros óxidos de metal que têm propriedades quimiossistivas. Os sensores de óxido de metal são principalmente sensores de gás e podem detectar gases oxidantes e redutores . Isso os torna ideais para uso em situações industriais onde os gases usados na fabricação podem representar um risco para a segurança do trabalhador.

Sensores feitos de óxidos de metal requerem altas temperaturas (200 ° C ou mais) para operar porque, para que a resistividade mude, uma energia de ativação deve ser superada.

Chemiresistors de óxido de metal
Óxido metálico Vapores
Óxido de cromo titânio H 2 S
Óxido de gálio O 2 , CO
Óxido de índio O 3
Óxido de molibdênio NH 3
Óxido de estanho redução de gases
Óxido de tungstênio NO 2
Óxido de zinco hidrocarbonetos , O 2

Grafeno

Em comparação com os outros materiais, os sensores do chemiresistor de grafeno são relativamente novos, mas mostraram excelente sensibilidade. O grafeno é um alótropo de carbono que consiste em uma única camada de grafite . Ele tem sido usado em sensores para detectar moléculas de fase de vapor, pH, proteínas, bactérias e agentes simulados de guerra química.

Nanotubos de carbono

O primeiro relatório publicado de nanotubos sendo usados como quimioesistores foi feito em 2000. Desde então, tem havido pesquisas em quimiosistores e transistores de efeito de campo quimicamente sensíveis fabricados a partir de nanotubos individuais de parede única , feixes de nanotubos de parede única, feixes de nanotubos de paredes múltiplas e misturas de nanotubo-polímero de carbono. Foi demonstrado que uma espécie química pode alterar a resistência de um feixe de nanotubos de carbono de parede única por meio de múltiplos mecanismos.

Os nanotubos de carbono são materiais de detecção úteis porque têm limites de detecção baixos e tempos de resposta rápidos; no entanto, os sensores de nanotubos de carbono não são muito seletivos. Eles podem responder à presença de muitos gases diferentes, desde amônia gasosa até vapores de diesel. Os sensores de nanotubos de carbono podem ser mais seletivos usando um polímero como barreira, dopando os nanotubos com heteroátomos ou adicionando grupos funcionais à superfície dos nanotubos.

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Nanopartículas

Muitas nanopartículas diferentes de tamanho, estrutura e composição variados foram incorporadas aos sensores do quimio-resistor. Os mais comumente usados são filmes finos de nanopartículas de ouro revestidas com monocamadas automontadas (SAMs) de moléculas orgânicas. O SAM é fundamental para definir algumas das propriedades do conjunto de nanopartículas. Em primeiro lugar, a estabilidade das nanopartículas de ouro depende da integridade do SAM, o que as impede de sinterizar juntas. Em segundo lugar, o SAM de moléculas orgânicas define a separação entre as nanopartículas, por exemplo, moléculas mais longas fazem com que as nanopartículas tenham uma separação média mais ampla. A largura dessa separação define a barreira que os elétrons devem atravessar quando uma tensão é aplicada e a corrente elétrica flui. Assim, ao definir a distância média entre nanopartículas individuais, o SAM também define a resistividade elétrica do conjunto de nanopartículas. Finalmente, os SAMs formam uma matriz em torno das nanopartículas em que as espécies químicas podem se difundir . À medida que novas espécies químicas entram na matriz, ela muda a separação entre as partículas que, por sua vez, afeta a resistência elétrica. Os analitos se difundem nos SAMs em proporções definidas por seu coeficiente de partição e isso caracteriza a seletividade e a sensibilidade do material quimio-resistor.

Polímeros condutores

Polímeros condutores , como polianilina e polipirrol, podem ser usados como materiais de detecção quando o alvo interage diretamente com a cadeia do polímero, resultando em uma mudança na condutividade do polímero. Esses tipos de sistemas carecem de seletividade devido à ampla gama de moléculas alvo que podem interagir com o polímero. Os polímeros com impressão molecular podem adicionar seletividade aos quimiosistores de polímero condutores. Um polímero com impressão molecular é feito polimerizando um polímero em torno de uma molécula alvo e, em seguida, removendo a molécula alvo do polímero, deixando para trás cavidades correspondentes ao tamanho e forma da molécula alvo. A impressão molecular do polímero condutor aumenta a sensibilidade do resistor quimio, selecionando o tamanho e a forma geral do alvo, bem como sua capacidade de interagir com a cadeia do polímero condutor.

Referências

Veja também

Opiniones de nuestros usuarios

Rosana De Faria

Não sei como cheguei a este artigo Chemiresistor, mas gostei muito.

Severina Teixeira

É sempre bom aprender. Obrigado pelo artigo sobre Chemiresistor.

Alan De Andrade

Achei que já sabia tudo sobre Chemiresistor, mas neste artigo verifiquei que alguns detalhes que achei bons não ficaram tão bons assim. Obrigado pela informação.