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Esquema simplificado de un sensor químico resistivo de un solo espacio. (no escalar)

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 se basan en 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 resistencia química: semiconductores de óxido de metal , algunos polímeros conductores , [3] y nanomateriales como el grafeno ,nanotubos y nanopartículas de carbono . 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 sensor tiene una resistencia inherente que puede ser modulada por la presencia o ausencia del analito. Durante la exposición, los analitos interactúan con el material sensor. Estas interacciones provocan cambios en la lectura de resistencia. En algunas resistencias químicas, 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 existen informes de materiales semiconductores que exhiben 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 químico resistivo 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 resistencias químicas 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 resistores químicos para 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 atractiva adición al Internet de las cosas . [8]

Tipos de sensores quimiorresistores

Una película de TiO 2 sensible al oxígeno en un electrodo interdigitado. [10]

Arquitecturas de dispositivos

Las resistencias químicas se pueden fabricar recubriendo un electrodo interdigitado con una película delgada o usando una película delgada u otro material sensor para salvar 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 películas delgadas. [7] En ambas arquitecturas, el material sensor resistente a sustancias químicas 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 la superficie de la película esté en contacto con el electrodo. Esto permite realizar más conexiones eléctricas y aumenta la conductividad general del sistema. [7] Los electrodos interdigitados con tamaños de dedos y un espacio entre los dedos 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 pueden fabricarse utilizando técnicas como la evaporación térmica. Tanto los sistemas de electrodos interdigitados como los de un solo espacio pueden disponerse en paralelo para permitir la detección de múltiples analitos mediante un dispositivo. [11]

Materiales de detección

Semiconductores de óxido metálico

Los sensores quimiorresistores 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 quimiorresistivas. 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 representar un riesgo para la seguridad de los trabajadores.

Los sensores hechos de 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]

Resistencias químicas de óxido metálico [12]
Óxido de metalVapores
Óxido de cromo y titanioH 2 S
Óxido de galioO 2 , CO
Óxido de indioO 3
Óxido de molibdenoNH 3
Óxido de estañoreduciendo gases
Óxido de tungstenoNO 2
Óxido de zinchidrocarburos , O 2
Una monocapa de grafeno. [13]

Grafeno

En comparación con los otros materiales, los sensores quimiorresistores de grafeno son relativamente nuevos pero han mostrado una excelente sensibilidad. [14] El grafeno es un alótropo de carbono que consta de 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 simulada. [21] [22]

Nanotubos de carbono

El primer informe publicado de nanotubos que se utilizan 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 desnudo no son muy selectivos. [2] Pueden responder a la presencia de muchos gases diferentes, desde amoníaco gaseoso hasta humos de diesel. [2] [9] Los sensores de nanotubos de carbono se pueden hacer más selectivos usando 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 una película quimiorresistor de nanopartículas de oro

.

Nanopartículas

Se han incorporado muchas nanopartículas diferentes de diferentes tamaños, estructura y composición en los sensores quimiorresistores. [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] El SAM es fundamental para definir algunas de las propiedades del ensamblaje de nanopartículas. En primer lugar, la estabilidad de las nanopartículas de oro depende de la integridad del SAM, lo que evita que se sintericen juntas. [40]En segundo lugar, la SAM de moléculas orgánicas define la separación entre las nanopartículas, por ejemplo, las moléculas más largas hacen que las nanopartículas tengan una separación media más amplia. [41] El ancho de esta separación define la barrera que los electrones deben atravesar cuando se aplica un voltaje y fluye corriente eléctrica. Por lo tanto, al definir la distancia promedio entre nanopartículas individuales, SAM también define la resistividad eléctrica del ensamblaje 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 ingresan a la matriz, cambia 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 quimiorresistor. [41] [47]

Polimerización de un polímero alrededor de una molécula objetivo que luego se lava para dejar cavidades con forma.

Polímeros conductores

Los polímeros conductores como la polianilina y el polipirrol se pueden usar como materiales de detección cuando el objetivo interactúa directamente con la cadena del polímero dando 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 diana que pueden interactuar con el polímero. Los polímeros impresos molecularmente pueden añadir selectividad a las resistencias químicas de polímeros conductores. [49] Un polímero impreso molecularmente se fabrica polimerizando un polímero alrededor de una molécula objetivo y luego eliminando la molécula objetivo del polímero dejando cavidades que coinciden con el tamaño y la forma de la molécula objetivo. [48] [49] La impresión molecular del polímero conductor aumenta la sensibilidad del quimiorresistor seleccionando el tamaño y la forma general del objetivo, así como su capacidad para interactuar con la cadena del polímero conductor. [49]

Referencias

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Ver también

  • Transistor de efecto de campo químico