Senzory a aplikace senzorů pro monitorování a řízení chemických a biologických procesů

Transkript

1 Tematická skupina Senzory Ústav fyziky a měřicí techniky Senzory a aplikace senzorů pro monitorování a řízení chemických a biologických procesů Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Výzkum optických detekčních metod a senzorů Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Prezentace výsledků příspěvek k závěrečné oponentuře VZ 1

2 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Byla vybudována nová laboratoř chemických senzorů. Výzkum má multidisciplinární charakter a zahrnuje: materiálové inženýrství, problematiku depozice citlivých vrstev, vývoj metodiky a instrumentace elektrických měření na senzorech, matematické metody zpracování získaných dat. 2

3 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Vybavení laboratoře, pořízené z finančních prostředků VZ, ÚFMT a grantů: Pevnolátkový laser Nd:YAG Zdroj záření při depozicích tenkých vrstev organických látek metodami PLD a MAPLE QCM measuring station Multifunkční depoziční komora Umožňuje depozice různých kategorií materiálů čtyřmi metodami: PLD (Pulsed Laser Deposition) MAPLE (Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation) OME (Organic Molecular Evaporation) Napařování Měření impedance krystalových rezonátorů 3

4 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Vybavení laboratoře Nanášení vodivého inkoustu metodou Ink-Jet jednoduchá příprava elektrod pro senzory Spin Coating nanášení tenkých vrstev pomocí odstředivky 1 průjezd trysky Kapky stříbrného inkoustu vystřikované z piezoelektrické trysky 2 průjezdy trysky Zaschlé kapky vodivého inkoustu 4

5 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Výzkum laserových technologií (PLD, MAPLE, laserové žíhání) a odpařování organických látek za vysokého vakua metodou OME. Nanášení organických polovodičů polymerní i nepolymerní povahy (MAPLE, evaporátor) pro depozice citlivých vrstev: chemických vodivostních senzorů, senzorů na bázi QCM krystalových rezonátorů. Diagnostika vrstev z hlediska struktury chemického složení a detekčních vlastností. Realizace metody ink-jet printing - tištění senzorových motivů (elektrod i citlivých vrstev) pomocí piezoelektrické trysky. Výzkum v oblasti syntézy polypyrrolu a jeho využití pro citlivé vrstvy senzorů. Zkoušení dalších materiálů pro citlivé vrstvy senzorů: nanostrukturovaný diamant (nukleační zárodky v radiofrekvenčním plazmatu), nestechiometrický oxid nikelnatý nepolymerní látky organické povahy - ftalocyaniny s různými kationty 5

6 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů SEM snímek vrstvy acetylacetonátu (připraveno metodou PLD) Nanostrukturovaný polypyrrol pro aktivní vrstvy senzorů (polymerizace v roztoku metodou soft-template) Senzorové substráty s polypyrrolem (metoda MAPLE) s ftalocyaninem zinku (metoda OME) 6

7 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů S využitím bezdotykových teploměrů a termokamer bylo zkoumáno rozložení teploty na povrchu chemických senzorů. Sledování teplotních gradientů na povrchu pelistorového senzoru pro různé pracovní podmínky (příkon topení) a umístění v měřicí komoře (prostorová orientace). Stanovení emisivity jednotlivých částí chemického vodivostního senzoru C C 200 Li C Ar1 Ar začerněno 100 Rozdělení teploty v pracovní oblasti Li1 Li2 Li3 Li4 Li5 Li

8 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Za období publikovala výzkumná skupina v rámci řešení VZ 14 výstupů evidovaných v databázi Web of Knowledge, práce měly celkem 66 citací (bez autocitací) (stav ke dni ). Velmi významné výsledky: Monografie a kapitola v monografii ISBN: Nova Publishers (2011), New York, USA ISBN:

9 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Vybrané publikace: 1. Fryček R., Jelínek M., Kocourek T., Fitl P., Vrňata M., Myslík V., Vrbová M.: Thin organic layers prepared by MAPLE for gas sensor application, Thin Solid Films, Vol. 495 (2006) pp Jelínek M., Kocourek T., Flory F., Escoubas L., Manzigue T., Myslík V., Vrňata M., Fryček R., Vysloužil F.: Laser-deposited thin films for butane detection, Laser Physics, Vol.16, No.2 (2006) pp Komenda V., Myslík V., Vrňata M., Vysloužil F., Fitl P., Fryček R., Jelínek M.: Compound tin dioxide - tin acetylacetonate thin layers for sensor applications, Sensors and Actuators B, Vol. 119 (2006) pp Thang Le M., Kovanda M., Myslík V., Vrňata M., Van Driessche I., Hoste S.: Pulsed laser deposition and dip-coating techniques in the fabrication of bismuth molybdate gas sensors, Thin Solid Films, Vol. 497 (2006) pp Fryček R., Vysloužil F., Myslík V., Vrňata M., Kopecký D., Ekrt O., Fitl P., Jelínek M., Kocourek T., Šipula R.: Deposition of organic metalocomplexes for sensor applications by MAPLE, Sensors and Actuators B (2007) Vol.125, pp Kopecký D., Vrňata M., Vysloužil F., Myslík V., Fitl P., Ekrt O., Matějka P., Jelínek M., Kocourek T.: Polypyrrole thin films for gas sensors prepared by Matrix- Assisted Pulsed Laser Evaporation technology: effect of deposition parameters on material properties, Thin Solid Films Vol. 517 (2009) pp IF 1,884 9

10 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Vybrané publikace: 7. Vrňata M., Kopecký D., Vysloužil F., Myslík V., Fitl P., Ekrt O., Hofmann J.: Impedance properties of polypyrrolic sensors prepared by MAPLE technology, Sensor and Actuators B, Vol. 137 (2009) pp IF 3, Kadlec K.: Non-contact Measuring the Surface Temperature of Chemical Sensors. Proceedings SENSOR 2009, Volume II, 14th International Conference on Sensors, Technologies, Electronics and Applications, SENSOR+TEST Conference 2009, Nürnberg, pp Ed. AMA Service GmbH, Wunstorf, Germany ISBN Kmínek M. Kadlec K., Nachtigalová I., Jakeš B.: Využití termografie ke studiu dynamiky kondenzátoru brýdových par. AUTOMA 17, 8-9, (2011), ISSN Seidl J., Vysloužil F., Vrňata M., Ekrt O., Myslík V., Kopecký D., Fitl P., Hofmann J., Nápravník J.: AC analysis of organocomplex sensing layer with Pd catalyst, Sensor Letters, Vol. 8, No. 3 (2010) pp IF 0, Kopecký D., Vrňata M., Vysloužil F., Fitl P., Ekrt O., Seidl J., Myslík V., Hofmann J., Náhlík J., Vlček J., Kučera L.: Doped polypyrrole for MAPLE deposition: Synthesis and characterization, Synthetic Metals, Vol. 160, No (2010) pp IF 1,901 10

11 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Vybrané publikace: 12.Náhlík J., Kašpárková I., Fitl P.: Study of quantitative influence of sample defects on measurements of resistivity of thin films using van der Pauw method, Measurement, Vol. 44 (2011) pp IF 0, Fitl P., Myslík V., Vrňata M., Náhlík J., Kopecký D., Vlček J., Hofmann J., Lančok J.: Sensing Properties of Tin Acetylacetonate-Based Thin Films Doped with Platinum, Sensors and Materials, Vol. 24, No.2 (2012) pp IF 0, Sedlák P., Šikula J., Majzner J., Vrňata M., Fitl P., Kopecký D.,Vysloužil F., Handel P.H.: Adsorption-desorption noise in QCM gas sensors, Sensors and Actuators B (2012) in press, doi: /j.snb Fitl P., Myslík V., Vrňata M., Náhlík J., Kopecký D., Vlček J., Hofmann J., Lančok J.: Sensing Properties of Tin Acetylacetonate-Based Thin Films Doped with Platinum, Sensors and Materials, Vol. 24, No.2 (2012) pp IF 0, Sedlák P., Šikula J., Majzner J., Vrňata M., Fitl P., Kopecký D.,Vysloužil F., Handel P.H.: Adsorption-desorption noise in QCM gas sensors, Sensors and Actuators B (2012) in press, doi: /j.snb

12 Výzkum optických metod a senzorů Byly vytvořeny systémy pro automatické snímání a vyhodnocování obrazů z oblasti chemie a potravinářství detekce pevných částic rozptýlených v transparentním prostředí, detekce množství plísně Penicillium cammemberti na povrchu potravinářských produktů měření rozměrů částic katalyzátoru pomocí scanneru měření morfologických parametrů škrobové membrány Byly zakoupeny softwarové i hardwarové prostředky EDF modul k programu NIS Elements, motorizovaný stolek pod mikroskop NIKON, umožňující: snímání kvalitních snímků, snímání velkoplošných obrazů s velkou hloubkou ostrosti, snadné a přesné vyhodnocení. 12

13 Výzkum optických metod a senzorů Ukázka vytvoření virtuálního měřicího přístroje pro měření velikosti částic katalyzátoru pro měření růstu plísní Blokové schéma virtuálního měřicího přístroje 13

14 Výzkum optických metod a senzorů Příklady 3D analýzy snímků Konstrukční součástka - měření hloubky vrypu Mikroskop NIKON, Kamera Jenoptik ProgRes, Motorizovaný stolek pro skenování XYZ Škrobová membrána - měření morfologických parametrů 14

15 Výzkum v oblasti optických metod a senzorů Příklady aplikací Měření velikosti buněk listu Měření plochy plísní na salámu Měření rozměrů katalyzátoru Měření rozměrů síta pomocí FFT 15

16 Výzkum optických metod a senzorů Vybrané publikace: 1. Korbářová A., Jirák E.: New modular system for automatic image analysis of food. Summaries 5 Systems and Technology, 19th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010, pp. 2107, Ed. Process Engineering Publisher, Praha 2010, ISBN , full text No. P5-267 on CD (10 pgs.) 2. Korbářová A., Havlík J., Jirák E.: Size measurement of cylindrical particles by image analysis. 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Summaries 4, p. 1366, Ed. Process Engineering Publisher Praha 2008, ISBN , CD-ROM of Full Texts, pp. P5.32_1-4, Orgit Ltd. Praha 2008, ISBN Havlík J., Jirák E., Korbářová A.: Airborne particle evaluation using image analysis. Proceedings the 8th International Scientific - Technological Conference Process Control 2008, p. 202 (Full text on CD: pdf ID: C090 (p. C ), University of Pardubice, Pardubice 2008, ISBN Korbářová A., Jirák E., Pipek P., Bělková B.A.: Obrazová analýza v potravinářství měření plochy plísní na salámech. AUTOMA 13, 12, 9-10, (2007), ISSN

17 Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Výzkum dekontaminačních vlastnosti nízkoteplotního plazmatu na různých typech mikroorganismů. Mikromycety se jeví odolnější k nízkoteplotnímu plazmatu než dosud studované bakterie a eukaryotní kvasinky. Byl pozorován zajímavý jev zpomalení růstu exponovaných spor mikromycet, tento jev je i dále studován s využitím obrazové analýzy. Pozorovaný nový jev, tzv. kometární výboj. Byl úspěšně uplatněn jako užitný vzor u Úřadu pro ochranu duševního vlastnictví ČR. Bylo dosaženo dalšího pokroku objevením efektu tzv. sekundární mřížky, která značně zvětšuje účinnou plochu dekontaminace. Při studiu inaktivace prionů byla zjištěna perzistence baktericidních vlastností ve vodě vystavené nízkoteplotnímu plazmatu i dlouhou dobu, řádově týdny, po samotné expozici. Fenomén byl zkoumán a byly měřeny koncentrace látek generujících se v exponované vodě např. oxidů dusíku, ozónu a peroxidu vodíku. 17

18 Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Výzkum a možnosti aplikace různých typů korónových výbojů Pro účely dekontaminace byly použity následující typy korónových výbojů: Kladná koróna Přechodová jiskra Záporná koróna Bipolární koróna Kometární výboj stabilizace výbojů předřadnou impedancí a optimalizací geometrie elektrod dosažení nových režimů a zvýšení výkonu a proudu výbojů u kometárního výboje - možnost bezkontaktní dekontaminace některé režimy jsou doprovázeny výraznými proudovými pulzy větší dekontaminační účinnost, efekt tzv. mrtvé vody (reaktivní molekuly přetrvávají ve vodě i po skončení expozice výboji) 18

19 Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Výzkum mikrobicidních vlastností korónového výboje Inhibiční zóny exponovaného kultivačního média kometárnímu výboji Dezinfekce lidské pokožky Pokles počtu bakterií ve vodní suspenzi při expozici výboji Pokles ph ve vodě v průběhu expozice výboji 19

20 Výzkum v oblasti sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Vybrané publikace: 1. Scholtz V., Kommová L., Julák J.: The Influence of Parameters of Stabilized Corona Discharge on its Microbicidal Effect. ACTA PHYSICA POLONICA A, Volume: 119, Issue: 6, Pages: , 2011, ISSN IF=0, Julák J., Janoušková O., Scholtz V., Holada K.: Inactivation of Prions Using Electrical DC Discharges at Atmospheric Pressure and Ambient Temperature. PLASMA PROCESSES AND POLYMERS, Volume: 8, Issue: 4, Pages: , 2011, ISSN: , IF=1, Julák J., Scholtz V., Kotúčová S., Janoušková O.: The persistent microbicidal effect in water exposed to the corona discharge. Physica Medica, Article in Press, ISSN: , IF=1, Scholtz V., Julák J., Štěpánková B.: Comparison of point-to-plane and point-topoint corona discharge for the decontamination or sterilization of surfaces and liquids. Plasma Medicine, 1 (1), pp , 2011, ISSN: IF není, Scopus ano. 5. Krempaský J., Scholtz V.: Spontaneous structuralization of discrete biological systems with diffusion, Dynamics of Continuous, Discrete and Impulsive Systems Series B: Applications and Algorithms, 18 (2), pp , 2011, ISSN: IF není, Scopus ano. 20

21 Výzkum v oblasti sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu Vybrané publikace: 6. Horák P., Khun J., Vrňata M.: Impedance-Stabilized Positive and Negative Corona Discharge: I-V Characteristics, Proceedings of Plasma 2011, International Conference on Research and Application of Plasmas, Warsaw, Poland, September 12-16, [CD-ROM] ISBN , p Scholtz V., Julák J., Kříha V.: The Microbicidal Effects of Low-Temperature Plasma Generated by Corona Discharge: Comparison of Various Microorganisms on an Agar Surface or in Aqueous Suspension. Plasma Processed and Polymers. Vol. 7, (2010), No. 3-4, p , ISSN , IF = Scholtz V., Julák J.: Plasma Jet-Like Point-to-Point Electrical Discharge in Air and its Bactericidal Properties. IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 38, (2010), No. 38, p , ISSN , IF = Scholzt V., Julák J.: The "cometary" discharge, a possible new type of DC electric discharge in air at atmospheric pressure, and its bactericidal properties. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 223, (2010), No. 1, Article number , 2010, pp ISSN Horák P., Khun J.: Impedance-stabilized positive corona discharge and its decontamination properties. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 223, (2010), No. 1, Article number , 2010, p ISSN

22 Tematická skupina Senzory ÚFMT vedoucí skupiny: K. Kadlec Pracovníci, kteří se podíleli na řešení VZ v letech 2005 až 2011 Výzkum technologií přípravy a měření signálů chemických senzorů Chemické vodivostní senzory M. Vrňata, D. Kopecký, P. Fitl, J. Hofmann, O. Ekrt, L. Fišer, J. Jirešová, J. Seidl, J. Škodová, J. Vlček, F. Vysloužil, H. Uhrová, L. Kučera, K. Široký Pelistorové senzory K. Kadlec, L. Fišer, M. Karlík, L. Kučera Aplikace senzorů pro monitorování a řízení procesů K. Kadlec, D. Kopecký, P. Fitl, L. Fišer, J. Hofmann, E. Jirák Metrologická problematika J. Macháč, F. Vysloužil Výzkum optických detekčních metod a senzorů E. Jirák, A. Korbářová, J. Havlík Výzkum sterilizačních účinků nízkoteplotního plazmatu V. Scholtz, J. Khun 22