Loading article…
ケミレジスタは、近くの化学環境の変化に応じて電気抵抗が変化する材料です。 [1]ケミレジスタは、センシング材料と分析物との間の直接的な化学的相互作用に依存する化学センサーの一種です。[2]センシング材料と分析物は、共有結合、水素結合、または分子認識によって相互作用することができます。半導体金属酸化物、一部の導電性ポリマー、[3]グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノ粒子などのナノ材料など、いくつかの異なる材料がケミレジスタ特性を持っています。通常、これらの材料は、電子舌や電子鼻などのデバイスで部分選択センサーとして使用されます。
基本的な化学抵抗器は、2 つの電極間のギャップを埋める、または一組の櫛形電極を覆う感知材料で構成されています。電極間の抵抗は簡単に測定できます。感知材料には、分析対象物の有無によって調整できる固有の抵抗があります。露出中、分析対象物は感知材料と相互作用します。これらの相互作用により、抵抗の測定値が変わります。一部の化学抵抗器では、抵抗の変化は単に分析対象物の存在を示します。他の化学抵抗器では、抵抗の変化は存在する分析対象物の量に比例します。これにより、存在する分析対象物の量を測定できます。
歴史
1965年には、周囲のガスや蒸気に大きく影響される電気伝導性を示す半導体材料の報告がありました。[4] [5] [6]しかし、1985年になってようやくウォルチェンとスノーが化学抵抗器という用語を作りました。[7]彼らが研究した化学抵抗性材料は銅フタロシアニンであり、彼らはその抵抗率が室温でアンモニア蒸気の存在下で減少することを実証しました。[7]
近年、化学抵抗器技術は、受動喫煙用の導電性ポリマーセンサー、ガス状アンモニア用のカーボンナノチューブセンサー、水素ガス用の金属酸化物センサーなど、多くの用途に有望なセンサーの開発に使用されています。[2] [8] [9]最小限の電力を必要とする小型デバイスを通じて環境に関する正確なリアルタイム情報を提供できる化学抵抗器の能力は、モノのインターネットへの魅力的な追加機能となっています。[8]
化学抵抗センサの種類
デバイスアーキテクチャ
化学抵抗器は、薄膜でインターディジタル電極をコーティングするか、薄膜または他のセンシング材料を使用して2つの電極間の単一のギャップを埋めることによって作成できます。電極は通常、薄膜と良好なオーム接触を形成する金やクロムなどの導電性金属で作られています。[7]どちらのアーキテクチャでも、化学抵抗性のセンシング材料が2つの電極間の伝導性を制御しますが、各デバイスアーキテクチャには独自の長所と短所があります。
インターディジット電極は、フィルムの表面積の大部分を電極と接触させることができる。これにより、より多くの電気接続が可能になり、システム全体の導電性が向上する。[7]フィンガーサイズとフィンガー間隔が数ミクロンのインターディジット電極は製造が難しく、フォトリソグラフィーの使用が必要となる。[8]より大きな特徴は製造が容易で、熱蒸着などの技術を使用して製造することができる。インターディジット電極とシングルギャップシステムはどちらも並列に配置することができ、1つのデバイスで複数の分析対象物を検出できる。[11]
センシング材料
半導体金属酸化物
金属酸化物化学抵抗センサーは、1970年に粉末SnO2を使用した一酸化炭素検出器で初めて商品化されました[12]。しかし、化学抵抗特性を持つ金属酸化物は他にもたくさんあります。金属酸化物センサーは主にガスセンサーであり、酸化ガスと還元ガスの両方を感知できます。[2]このため、製造に使用されるガスが作業者の安全にリスクをもたらす可能性がある産業環境での使用に最適です。
金属酸化物で作られたセンサーは、抵抗率が変化するためには活性化エネルギーを克服する必要があるため、動作には高温（200℃以上）が必要です。 [2]
グラフェン
他の材料と比較すると、グラフェン化学抵抗センサーは比較的新しいものですが、優れた感度を示しています。[14]グラフェンは、単層のグラファイトからなる炭素の同素体です。[15]気相分子、[16] [17] [18] pH、[19]タンパク質、[19]細菌、[20]模擬化学兵器を検出するセンサーに使用されています。[21] [22]
カーボンナノチューブ
ナノチューブが化学抵抗体として使用されているという最初の報告は2000年になされました。[23]それ以来、個々の単層ナノチューブ、[24] 単層ナノチューブの束、[25] [26]多層ナノチューブの束、[27] [28]およびカーボンナノチューブとポリマーの混合物から製造された化学抵抗体と化学的に敏感な電界効果トランジスタの研究が行われてきました。[29] [30] [31] [32]化学種が複数のメカニズムを通じて単層カーボンナノチューブの束の抵抗を変えることができることが示されている。
カーボンナノチューブは検出限界が低く、応答時間が速いため、有用なセンシング材料ですが、裸のカーボンナノチューブセンサーはあまり選択的ではありません。[2]アンモニアガスからディーゼル排気ガスまで、さまざまなガスの存在に反応できます。[2] [9]カーボンナノチューブセンサーは、ポリマーをバリアとして使用したり、ナノチューブにヘテロ原子をドーピングしたり、ナノチューブの表面に官能基を追加したりすることで、より選択的にすることができます。 [2] [9]
。
ナノ粒子
化学抵抗センサーには、さまざまなサイズ、構造、組成のさまざまなナノ粒子が組み込まれています。 [33] [34]最も一般的に使用されているのは、有機分子の自己組織化単分子膜（SAM）でコーティングされた金ナノ粒子の薄膜です。[35] [36] [37] [38] [39] SAMは、ナノ粒子アセンブリのいくつかの特性を定義する上で重要です。第一に、金ナノ粒子の安定性はSAMの完全性に依存し、SAMが焼結するのを防ぎます。[40]第二に、有機分子のSAMはナノ粒子間の距離を定義します。たとえば、分子が長いほど、ナノ粒子の平均距離は広くなります。[41]この距離の幅は、電圧が印加され電流が流れるときに電子が通過しなければならない障壁を定義します。したがって、SAMは個々のナノ粒子間の平均距離を定義することにより、ナノ粒子アセンブリの電気抵抗率も定義します。 [42] [43] [44] 最後に、SAMはナノ粒子の周りにマトリックスを形成し、その中に化学種が拡散することができます。新しい化学種がマトリックスに入ると、粒子間の距離が変化し、それが電気抵抗に影響を与えます。[45] [46]分析物は、その分配係数によって定義される割合でSAMに拡散し、これが化学抵抗材料の選択性と感度を特徴付けます。[41] [47]
導電性ポリマー
ポリアニリンやポリピロールなどの導電性ポリマーは、ターゲットがポリマー鎖と直接相互作用してポリマーの導電性が変化する場合に、センシング材料として使用できます。[8] [48]これらのタイプのシステムは、ポリマーと相互作用するターゲット分子の範囲が広いため、選択性がありません。分子インプリントポリマーは、導電性ポリマー化学抵抗器に選択性を追加できます。[49]分子インプリントポリマーは、ターゲット分子の周囲でポリマーを重合し、次にターゲット分子をポリマーから除去して、ターゲット分子のサイズと形状に一致する空洞を残すことによって作成されます。[48] [49]導電性ポリマー を分子インプリントすると、ターゲットの一般的なサイズと形状、および導電性ポリマーの鎖と相互作用する能力を選択することで、化学抵抗器の感度が向上します。[49]
参考文献
- ^ Florinel-Gabriel Banica、「化学センサーとバイオセンサー：基礎と応用」、John Wiley and Sons、Chichester、2012年、第11章、印刷ISBN 978-0-470-71066-1、Web ISBN 0-470710-66-7、ISBN 978-1-118-35423-0。
- ^ abcdefg Khanna, VK (2012).ナノセンサー: 物理的、化学的、生物学的ボカラトン、フロリダ州: CRC プレス。ISBN 978-1-4398-2712-3。
- ^ 「ケミレジスタ - 化学マイクロセンサー - マイクロセンサーとセンサーマイクロシステム (MSTC)」。2014 年 12 月 17 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年 12 月 17 日閲覧。
- ^ JI Bregman と A. Dravnieks 表面効果検出、1965 年 :Spartan
- ^ F. ガットマンとLE ライオンズ『有機半導体』1967年：Wiley
- ^ Rosenberg, B.; Misra, TN; Switzer, R. (1968). 「嗅覚伝達のメカニズム」. Nature . 217 (5127): 423–427. Bibcode :1968Natur.217..423R. doi :10.1038/217423a0. PMID 5641754. S2CID 4157172.
- ^ abcd Wohltjen, H.; Barger, WR; Snow, AW; Jarvis, NL (1985). 「平面マイクロ電極とラングミュア・ブロジェット有機半導体膜で製造された蒸気感応性化学抵抗器」. IEEE Trans. Electron Devices . 32 (7): 1170–1174. Bibcode :1985ITED...32.1170W. doi :10.1109/T-ED.1985.22095. S2CID 44662151.
- ^ abcd Liu, Yuan; Antwi-Boampong, Sadik; BelBruno, Joseph J.; Crane, Mardi A.; Tanski, Susanne E. (2013-09-01). 「導電性ポリマーフィルムを使用したニコチン経由の受動喫煙の検出」.ニコチンとタバコの研究. 15 (9): 1511–1518. doi :10.1093/ntr/ntt007. ISSN 1462-2203. PMC 3842131 . PMID 23482719.
- ^ abc Azzarelli, Joseph M.; Mirica, Katherine A .; Ravnsbæk, Jens B.; Swager, Timothy M. (2014-12-23). 「RF通信によるスマートフォンでのワイヤレスガス検知」。米国科学 アカデミー紀要。111 (51): 18162–18166。Bibcode : 2014PNAS..11118162A。doi : 10.1073 / pnas.1415403111。ISSN 0027-8424。PMC 4280584。PMID 25489066。
- ^ Wang, H.; Chen, L.; Wang, J; Sun, Q.; Zhao, Y. (2014). 「ナノゾルゲルTiO2薄膜に基づくマイクロ酸素センサー」.センサー. 14 (9): 16423–33. Bibcode :2014Senso..1416423W. doi : 10.3390/s140916423 . PMC 4208180. PMID 25192312 .
- ^ ヴァン・ガーウェン、ピーター;ローリン、ウィム。ウィム・ローリーズ。ホイベレヒト、グイド。オプ・デ・ビーク、マーイケ。バート、クリス。スルス、ジャン。サンセン、ウィリー。ジェイコブス、P. (1998-06-25)。 「生化学センサー用のナノスケール櫛型電極アレイ」。センサーとアクチュエーター B: 化学物質。49 (1-2): 73-80。土井：10.1016/S0925-4005(98)00128-2。
- ^ ab Wilson, DM; Hoyt, S.; Janata, J.; Booksh, K.; Obando, L. (2001). 「ポータブルでハンドヘルドなフィールド機器用の化学センサー」. IEEE Sensors Journal . 1 (4): 256–274. Bibcode :2001ISenJ...1..256W. doi :10.1109/7361.983465.
- ^ Kiani, MJ; Harun, FKC; Ahmadi, MT; Rahmani, M.; Saeidmanesh, M.; Zare, M. (2014). 「電解質ゲートグラフェン電界効果トランジスタを使用した帯電脂質二重層のコンダクタンス変調」Nanoscale Res Lett . 9 (9): 371. Bibcode :2014NRL.....9..371K. doi : 10.1186/1556-276X-9-371 . PMC 4125348 . PMID 25114659.
- ^ Cooper, JS; Myers, M.; Chow, E.; Hubble, LJ; Pejcic, B.; et al. (2014). 「水中の石油炭化水素の検出におけるグラフェン、カーボンナノチューブ、金ナノ粒子化学抵抗センサーの性能」J. Nanoparticle Res . 16 (1): 1–13. Bibcode :2014JNR....16.2173C. doi :10.1007/s11051-013-2173-5. S2CID 97772800.
- ^ Rao, CNR; Govindaraj, A. (2005).ナノチューブとナノワイヤ. ケンブリッジ、英国: 王立化学協会。ISBN 978-0-85404-832-8。
- ^ Schedin, F.; Geim, AK; Morozov, SV; Hill, EW; Blake, P.; et al. (2007). 「グラフェンに吸着した個々のガス分子の検出」. Nature Materials . 6 (9): 652–655. arXiv : cond-mat/0610809 . Bibcode :2007NatMa...6..652S. doi :10.1038/nmat1967. PMID 17660825. S2CID 3518448.
- ^ Joshi, RK; Gomez, H.; Farah, A.; Kumar, A. (2007). 「実用条件下での O 2、および 100 ppm の CO と NO2 の検知用グラフェンフィルムとリボン」Journal of Physical Chemistry C . 114 (14): 6610–6613. doi :10.1021/jp100343d.
- ^ Dan, Y.; et al. (2009). 「グラフェン蒸気センサーの固有応答」. Nano Letters . 9 (4): 1472–1475. arXiv : 0811.3091 . Bibcode :2009NanoL...9.1472D. doi :10.1021/nl8033637. PMID 19267449. S2CID 23190568.
- ^ ab Ohno, Y.; et al. (2009). 「pH とタンパク質吸着を検出する電解質ゲートグラフェン電界効果トランジスタ」Nano Letters . 9 (9): 3318–3322. Bibcode :2009NanoL...9.3318O. doi :10.1021/nl901596m. PMID 19637913.
- ^ Mohanty, N.; et al. (2008). 「グラフェンベースの単一細菌分解能バイオデバイスおよび DNA トランジスタ: グラフェン誘導体とナノスケールおよびマイクロスケールのバイオコンポーネントとのインターフェイス」Nano Letters . 8 (12): 4469–4476. Bibcode :2008NanoL...8.4469M. doi :10.1021/nl802412n. PMID 19367973.
- ^ Robinson, JT; et al. (2008). 「還元グラフェン酸化物分子センサー」. Nano Letters . 8 (10): 3137–3140. Bibcode :2008NanoL...8.3137R. CiteSeerX 10.1.1.567.8356 . doi :10.1021/nl8013007. PMID 18763832.
- ^ Hu, NT; et al. (2008). 「p-フェニレンジアミン還元グラフェン酸化物に基づくガスセンサー」センサーおよびアクチュエータB: 化学. 163 (1): 107–114. doi :10.1016/j.snb.2012.01.016.
- ^ Kong, J.; et al. (2000). 「化学センサーとしてのナノチューブ分子ワイヤ」. Science . 287 (5453): 622–5. Bibcode :2000Sci...287..622K. doi :10.1126/science.287.5453.622. PMID 10649989.
- ^ Bradley, K.; et al. (2003). 「接触不活性化ナノチューブ化学センサーの短チャネル効果」Appl. Phys. Lett . 83 (18): 3821–3. Bibcode :2003ApPhL..83.3821B. doi :10.1063/1.1619222.
- ^ Helbling, T.; et al. (2008). 「NO2 センシング用サスペンションおよび非サスペンションカーボンナノチューブトランジスタ - 定性的比較」Physica Status Solidi B . 245 (10): 2326–30. Bibcode :2008PSSBR.245.2326H. doi :10.1002/pssb.200879599. S2CID 124825726.
- ^ Maeng, S.; et al. (2008). 「非装飾単層カーボンナノチューブ単層接合に基づく高感度NO2センサーアレイ」Appl. Phys. Lett . 93 (11): 113111. Bibcode :2008ApPhL..93k3111M. doi : 10.1063/1.2982428 .
- ^ Penza, M.; et al. (2009). 「カーボンナノチューブネットワークフィルムベースの化学抵抗器を使用した二成分ガス混合物中の干渉物質の低減による NO2 ガス吸着への影響」J. Phys. D: Appl. Phys . 42 (7): 072002. Bibcode :2009JPhD...42g2002P. doi :10.1088/0022-3727/42/7/072002. S2CID 98541592.
- ^ Wang, F.; et al. (2011). 「共有結合修飾多層カーボンナノチューブに基づく多様な化学抵抗体」J. Am. Chem. Soc . 133 (29): 11181–93. doi :10.1021/ja201860g. hdl : 1721.1/74235 . PMID 21718043.
- ^ Bekyarova, E.; et al. (2004). 「化学的に機能化された単層カーボンナノチューブのアンモニアセンサーとしての利用」J. Phys. Chem. B . 108 (51): 19717–20. doi :10.1021/jp0471857.
- ^ Li, Y.; et al. (2007). 「化学的に修飾された多層カーボンナノチューブと PMMA 複合材料の N 型ガス検知特性」Sens. Actuators, B . 121 (2): 496–500. doi :10.1016/j.snb.2006.04.074.
- ^ Wang, F.; et al. (2008). 「化学兵器用カーボンナノチューブ/ポリチオフェン化学抵抗センサー」J. Am. Chem. Soc . 130 (16): 5392–3. doi :10.1021/ja710795k. PMID 18373343.
- ^ Wei, C.; et al. (2006). 「整列カーボンナノチューブとポリマー複合材料の多機能化学蒸気センサー」J. Am. Chem. Soc . 128 (5): 1412–3. doi :10.1021/ja0570335. PMID 16448087.
- ^ Franke, ME; et al. (2006). 「化学抵抗器における金属および金属酸化物ナノ粒子: ナノスケールは重要か?」Small . 2 (1): 36–50. doi :10.1002/smll.200500261. PMID 17193551.
- ^ Ibañez, FJ; et al. (2012). 「化学的に修飾された金属および合金ナノ粒子による化学抵抗センシング」Small . 8 (2): 174–202. doi :10.1002/smll.201002232. hdl : 11336/5227 . PMID 22052721.
- ^ Wohltjen, H.; et al. (1998). 「コロイド金属-絶縁体-金属アンサンブル化学抵抗センサー」Anal. Chem . 70 (14): 2856–9. doi :10.1021/ac9713464.
- ^ Evans, SD; et al. (2000). 「ハイブリッド有機無機ナノ構造材料を使用した蒸気検知」J. Mater. Chem . 10 (1): 183–8. doi :10.1039/A903951A.
- ^ Joseph, Y.; et al. (2004). 「金ナノ粒子/有機リンカーフィルム: 自己組織化、電子的および構造的特性、組成および蒸気感度」. Faraday Discussions . 125 : 77–97. Bibcode :2004FaDi..125...77J. doi :10.1039/B302678G. PMID 14750666.
- ^ Ahn, H.; et al. (2004). 「ω-(3-チエニル)アルカンチオール保護金ナノ粒子フィルムの電気伝導性と蒸気検知特性」. Chem. Mater . 16 (17): 3274–8. doi :10.1021/cm049794x.
- ^ Saha, K.; et al. (2012). 「化学および生物学的センシングにおける金ナノ粒子」. Chem. Rev. 112 ( 5): 2739–79. doi : 10.1021/cr2001178. PMC 4102386. PMID 22295941.
- ^ Liu, J.last2=; et al. (2012). 「表面機能化と粒子サイズが人工ナノ粒子の凝集速度に与える影響」. Chemosphere . 87 (8): 918–24. Bibcode :2012Chmsp..87..918L. doi :10.1016/j.chemosphere.2012.01.045. PMID 22349061.
{{cite journal}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) - ^ ab Raguse, B.; et al. (2009). 「水溶液中の金ナノ粒子化学抵抗体センサー：疎水性ナノ粒子膜と親水性ナノ粒子膜の比較」J. Phys. Chem. C . 113 (34): 15390–7. doi :10.1021/Jp9034453.
- ^ Terrill, RH; et al. (1995). 「3次元の単分子層：アルカンチオール安定化金クラスターのNMR、SAXS、熱、電子ホッピング研究」J. Am. Chem. Soc . 117 (50): 12537–48. doi :10.1021/ja00155a017.
- ^ Wuelfing, WPlast2=; et al. (2000). 「固体、混合原子価、単分子層保護された au クラスターの電子伝導性」J. Am. Chem. Soc . 122 (46): 11465–72. doi :10.1021/ja002367+.
{{cite journal}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) - ^ Wuelfing, WP; et al. (2002). 「アレーンチオラート単分子層保護金クラスターのフィルムを介した電子ホッピング」J. Phys. Chem. B . 106 (12): 3139–45. doi :10.1021/jp013987f.
- ^ Raguse, B.; et al. (2007). 「金ナノ粒子化学抵抗体センサー：水性電解質溶液中の有機物の直接検知」Anal. Chem . 79 (19): 7333–9. doi :10.1021/ac070887i. PMID 17722880.
- ^ Müller, K.-H.; et al. (2002). 「有機分子で結合した金属ナノ粒子のフィルムにおける電子伝導のパーコレーションモデル」. Phys. Rev. B . 66 (7): 75417. Bibcode :2002PhRvB..66g5417M. doi :10.1103/Physrevb.66.075417.
- ^ Bohrer, FI; et al. (2011). 「サブマイクロメートルの特徴とパターン化されたナノ粒子界面層を備えた化学抵抗器蒸気センサーの高密度アレイの特性評価」Anal. Chem . 83 (10): 3687–95. doi :10.1021/ac200019a. PMID 21500770.
- ^ ab Huang, Jiyong; Wei, Zhixiang; Chen, Jinchun (2008-09-25). 「キラルアミノ酸認識のための分子インプリントポリピロールナノワイヤ」. Sensors and Actuators B: Chemical . 134 (2): 573–578. doi :10.1016/j.snb.2008.05.038.
- ^ abc Antwi-Boampong, Sadik; Mani, Kristina S.; Carlan, Jean; BelBruno, Joseph J. (2014-01-01). 「コチニン感知のための選択的分子インプリントポリマーカーボンナノチューブセンサー」。Journal of Molecular Recognition . 27 (1): 57–63. doi :10.1002/jmr.2331. ISSN 1099-1352. PMID 24375584. S2CID 5196220.