VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D. ELEKTROCHEMICKÉ MIKROSENZORY ELECTROCHEMICAL MICROSENSORS ZKRÁCENÁ VERZE HABILITAČNÍ PRÁCE BRNO 2008

Klíčová slova: sítotiskové senzory, tenkovrstvé senzory, vodivost, voltametrie, amperometrie, ph senzor, ISFET, biosenzory Keywords: screen-printed sensors, thin-film sensors, conductivity, voltammetry, amperometry, ph sensors, ISFET, biosensors. Místo uložení: Ústav mikroelektroniky, FEKT, VUT v Brně, Údolní 53, 602 00 Brno Jaromír Hubálek, 2008 ISBN 978-80-214-3764-7 ISSN 1213-418X

ÚVOD... 4 1 2 3 4 1.1 MIKROSENZORY A MIKROSYSTÉMY... 6 1.1.1 Definice senzoru... 6 1.1.2 Klasifikace senzorů... 6 1.1.3 Elektrochemická senzory... 7 1.1.4 Technologie výroby... 7 1.1.5 Zpracování výstupního signálu... 8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 PROBLEMATIKA CHEMICKÝCH MIKROSENZORŮ A BIOSENZORŮ... 6 CÍLE PRÁCE... 10 PLANÁRNÍ KONDUKTOMETRICKÉ SENZOR... 10 ODPOROVÉ MIKROSENZORY PLYNŮ... 10 NOVÝ HYDRODYNAMICKÝ ELEKTROCHEMICKÝ SYSTÉM VYUŽÍVAJÍCÍ MIKROSENZORY. 10 SENZORY PRO DETEKCI NĚKTERÝCH BIOLOGICKY ZAJÍMAVÝCH LÁTEK... 10 NANOSTRUKTUROVANÉ ELEKTRODY PRO CHEMICKÉ SENZORY... 10 VÝSLEDKY S KOMENTÁŘEM... 11 PLANÁRNÍ KONDUKTOMETRICKÝ SENZOR... 11 ODPOROVÉ MIKROSENZORY PLYNŮ... 12 NOVÝ HYDRODYNAMICKÝ ELEKTROCHEMICKÝ SYSTÉM VYUŽÍVAJÍCÍ MIKROSENZORY 16 SENZORY PRO DETEKCI NĚKTERÝCH BIOLOGICKY ZAJÍMAVÝCH LÁTEK... 16 Naftochinony... 16 Ureáza... 17 Metalothionein... 18 Glutathion... 18 NANOSTRUKTUROVANÉ ELEKTRODY PRO CHEMICKÉ SENZORY... 19 LITERATURA... 20 5 PŘÍLOHA... 23 3

Úvod Posledních několik desítek let se vyznačuje velkým vývojem v oblasti vyspělých technologií, které zasahují významně do našeho života. S tímto pokrokem a důrazem na bezpečnost a komfort se obzvláště v 21. století silně rozvíjejí senzory, které nalezneme především v průmyslu, domácnostech a dopravních prostředcích, ale v podstatě dnes zasahují téměř do všech oblastí veřejného života. Tento rozvoj umožnily technologie miniaturizace, které přinesly levné, ale vysoce sofistikované senzorické mikrosystémy. Miniaturizace senzorů tak přispěla i k opětovnému rozvoji elektrochemických senzorů. Elektrochemické analýzy jsou z minulosti známé hlavně v souvislosti s detekcí těžkých kovů ve vodě, potravinách a zkoumáním korozivních vlivů na povrchy materiálů. Elektrochemické metody tedy sloužily a dodnes slouží k jednoduchému, rychlému monitorování zátěží chemických látek v životním prostředí a potravním řetězci, které s prostředím bezprostředně souvisejí. Z těchto důvodů se u veřejnosti vžilo, že si je spojuje s ochranou života, tedy detektory, technikami a metodami chránícími život a zemi. Takové obecné trvzení se jistě zakládá na reálném podkladě a na počátku 21. století existuje celá řada pokročilých detektorů a metod kvalitativní i kvantitativní analýzy od optických, rentgenových a elektronových. Ve většině případů jde o vysoce specializované, složité a především nákladné systémy s vysoce kvalifikovanou obsluhou a lze je nalézt pouze na specializovaných pracovištích. Na druhou stranu elektrochemické systémy stále patří k nejjednoduším s velmi dobrými vlastnostmi jako je rychlost, přesnost a nízké náklady. Senzitivní část snímač je nejdůležitější prvek každého senzoru (detektoru). Určuje základní vlastnosti a parametry každého senzoru a navíc je velmi robustní a relativně jednoduchá. Trend miaturizace těchto relativně jednoduchých snímačů by mohl přinést znovu objevení elektrochemických metod pro běžné použití. Současná praxe spočívá na náhodném či cíleném odběru vzorků z různých lokalit a následném rozboru ve specializovaných laboratořích, který je nákladný a zdlouhavý. Veřejnost požaduje, aby byla ochrana člověka před toxickými látkami mnohem důkladnější a hlavně včasná. Miniaturní senzory by mohly tvořit součást robustních mikrosystémů s vlastní inteligencí, které by prováděly celou řadu analýz on-line a tak monitorovaly, jak chemické látky produkované člověkem pronikají do životního prostředí a také by byly nápomocny k okamžité lokalizaci ekologických havárií. Stejně dobře se uplatní i v medicínské a genetické diagnostice nebo analýze plynů. Pro svou malou velikost a nízkou cenu mohiou být umístěny na mnoha místech lidské činnosti a ve stejném okamžiku tak chránit nejen lidi, ale celé naše prostředí a v konečném důsledku celou planetu. TMotivace V současné době jsou v analytické chemii velmi rozšířené moderní optické detektory převážně užívané v chemiluminiscenci, spektroskopii nebo chromatografii. Jsou to metody velmi přesné, ale nákladné na pořízení i provoz. Cílem současné vědy je vytvořit detektory v miniaturizované formě, které by byly levné a s dostatečnou citlivostí a reprodukovatelností. Tyto požadavky je velmi obtížné splnit, protože miniaturizace optických systémů není zatím tak propracovaná. Ukazuje se, že pro mnoho aplikací není potřeba tak přesných detektorů, např. jako předanalýza, která vyloučí kontaminaci a tím i nutnost přesné nákladné analýzy. Otevírají se tak dveře využití levných a rychlých neoptických metod. Stejně tak dobře pro běžné uživatele postačí senzor s nižší 4

přesností (detekce toxických plynů v atmosféře, kouře v uzavřených prostorách, kontrola spalin kotelen, motorů, v klimatizačních a ventilačních jednotkách využívající jednoduchý senzor kyslíku nebo COB2B). Není tak přímo potřeba stanovit přesnou koncentraci plynu v prostředí pro spuštění navazujících technologií (klimatizace, řízená atmosféra). V těchto případech je výhodné využít velmi levné miniaturní elektrochemické snímače nebo senzory, které mají již dostatečnou přesnost. Jejich výhodou je i vysoká odolnost (ve vysokoteplotních procesech lze veličiny měřit on-line přímo ve výrobním procesu). TŽivotopis Po absolvování vysokoškolského studia v oboru Elektronické součástky a systémy na FEI VUT v Brně v roce 1996 nastoupil jako interní doktorand oboru Mikroelektronika a technologie. V roce 2000 působil na katalánské univerzitě Rovira i Virgili v Tarragoně ve Španělsku na základě získání ročního stipendia od španělské vlády. Od poloviny roku 2001 se stal výzkumným pracovníkem na téže univerzitě, kde pracoval až do září 2003 na projektech týmu senzorů plynů vedeného Xavierem Correigem z Departament d Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica. Doktorskou práci s názvem Chemical sensor Precise measurement using planar electrodes úspěšně obhájil v roce 2003. Tato práce se zabývá konstrukcí, optimalizací a přesným měřením interdigitální strukturou elektrod v konduktometrické analýze roztoků. Od roku 1996 pracoval na několika projektech GA ČR: GA102/97/S078 MOSAIC Modelování, simulace a syntéza mikrosystémů, GA102/95/0875 TANTAL Testability of Analog and Analog/Digital Integrated Circuits, GA102/00/0939 INTIM Integrated Intelligent Microsystems, GA102/00/0938 TLAKAN Pressure Analyzer. Dále na výzkumných záměrech: MSM 262200022 Výzkum mikroelektronických systémů a technologií, a MSM0021630503 Nové trendy v mikroelektronických systémech a nanotechnologiích (MIKROSYN); projektech MPO FD-K2/53 ANTOPE Výzkum nových metod přístrojové analýzy toxicity pro integrální měření toxicity v potravinářském průmyslu a jejich ověření na prototypu analyzátoru toxicity pesticidů, a FT-TA/089 IBIS Inteligentní biosenzorický systém pro detekci pesticidů a herbicidů v životním prostředí. Sám získal jako řešitel projekt GA ČR GP102/04/P162 Mikro- a nanostruktury realizované v mikroelektronických technologiích a GA102/08/1546 Miniaturizované inteligentní systémy a nanostrukturované elektrody pro chemické, biologické a farmaceutické aplikace ; projektu GA AV Národního programu podpory výzkumu a vývoje 1QS201710508 Impedimetrické chemické senzory s nanomechanizovaným povrchem elektrod ; dále na programu Nanotechnologie pro společnost KAN208130801 Nové konstrukce a využití nanobiosenzorů a nanosenzorů v medicíně, a třech projektech FRVŠ. Přednáší i cvičí předmět bakalářského studia Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy. Ve starém magisterském oboru EVM přednášel předmět Digitální obvody. 5

1 Problematika chemických mikrosenzorů a biosenzorů 1.1 Mikrosenzory a mikrosystémy Slovo senzor bývá v naučném slovníku stručně vysvětleno jako zařízení k přeměně fyzikální veličiny na elektrický signál, snímač, čidlo nebo výstižnější vysvětlení jako snímač popudů, tedy zařízení, jímž se libovolná fyzikální veličina snímá a transformuje na veličinu jinou, snáze měřitelnou (obvykle elektrickou) [1]. Slovo senzor je ale odvozeno z latiny, kde znamená citlivý, a mělo by být chápáno jako citlivost na vnější podnět. Obecně je tedy senzor definován jako zařízení reagující na podnět, stav prostředí (měřenou veličinu) a převádějící jej na výslednou odezvu nebo informaci (výstupní veličinu). Pojem senzor je v obecné rovině ekvivalentní pojmu snímač, převodník nebo detektor, i když odborná terminologie tyto pojmy považuje za součásti senzoru, ale i odborníci se liší v definovaných pojmech, což svědčí o chybějící normativní definici. 1.1.1 Definice senzoru V technické praxi se ustálila následující definice [2]: Pod pojmem senzor je chápáno zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálním převodem na veličinu výstupní často elektricky kvantitativní. Stav sledované veličiny snímá citlivá část senzoru občas označovaná jako snímač a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický signál, který je vyhodnocen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody, viz obrázek 1.1. 1.1.2 Klasifikace senzorů Klasifikace senzorů by měla jít logicky od jednoduchých ke složitým. Klasifikace umožňuje rozdělit senzory podle vstupní veličiny, principu převodu, výstupní veličiny, styku s měřeným prostředím, chování výstupu, převodu neelektrické veličiny a výrobní technologie [2]. SENZOR Podnět, prostředí Snímací převodník Vyhodnocovací obvod Další obvod Fyzikální, chemický proces výstupní veličina kvantitativní Obrázek 1.1 Zobecněná struktura senzoru Uvedené klasifikace jsou rozsáhlé. V našem případě bude vždy senzor s elektrickým signálovým výstupem, vstupní veličinou bude neelektrická veličina, senzor bude ve styku s měřeným prostředím a bude napájený z vnějšího zdroje. V případě chemických senzorů bude vždy typ senzoru udávat princip převodu neelektrické veličiny i počet neelektrických převodníků. Vzhledem k tomu, že současná technika umí jednoduchý signál zpracovat velmi sofistikovanými metodami, 6

je nutné rozdělení senzorů rozšířit i o metody vztahující se ke zpracování signálu. Potom lze rozdělení chemických senzorů provést pouze podle principu převodu (obrázek 1.2), technologie výroby a zpracování signálů. Chemické senzory elektrochemické teplotní fluorescenční gravimetrické optické Obrázek 1.2 Rozdělení chemických senzorů podle principu převodu [2] 1.1.3 Elektrochemická senzory Chemické senzory pracující na elektrochemickém principu jsou založeny na reakci iontů s povrchem elektrody nebo fyzikálně chemického převodníku. Výměna náboje může být uskutečněna pouze výměnou elektronu nebo iontu. Tato výměna náboje se vyjadřuje následující reakcí [3]: Ox + e Re ( 1.1 ) Levá strana vyjadřuje oxidaci, jejímž produktem je oxidovaná složka a předaný elektron elektrodě, pravá strana je redukce, při níž byl elektron z elektrody odebrán. Tato redox reakce je v podstatě princip fyzikálně-chemického převodíku, který je součástí každého elektrochemického senzoru. 1.1.4 Technologie výroby Dnes nejrozšířenější technologie umožňující miniaturizaci systémů pocházejí z mikroelektroniky a jsou jimi technologie tlustých vrstev (TLV) [4] [7] vyznačující se levnou sítotiskovou technikou s rozlišením do 100 µm. Rozvinutou variantou TLV založenou na litografii a dosahující rozlišení 10 µm je technika sítotisku fotocitlivých past. Technologie tenkých vrstev (TNV) [8] [10], která v ruku v ruce s technologií polovodičů (TPV) [11], [12] tvoří nejrozvinutější způsob minitaturizace elektronických součástek a systémů, dosahuje dnes již submikronových rozlišení, a to už na úrovni 45 nm. Výzkum a vývoj mikrosenzorů a aktuátorů přinesl velké množství nových konstrukcí, materiálů a technik. Již zmíněné technologie miniaturizace jako základní se užívají spolu s nově vyvinutými technikami, jež jsou výsledkem moderního materiálového inženýrství. Dvě poslední zmíněné technologie (TNV+TPV) byly rozvinuty do technik umožňujících vytváření mikroelektromechanických systémů (MEMS) [13] [16]. MEMS dnes už 7

zasahují i do oblasti nanorozměrů (NEMS) [15], [16]. Příklady technik využívaných a rozvinutých pro senzorovou techniku ukazuje tabulka 1.2. Současná technologie umožňuje vytvářet multivrstvové systémy s porézními, ale i neporézními chemicky odolnými vrstvami, pravidelně uspořádané struktury, samouuspořádající se vrstvy apod. Tabulka 1.1 Techniky užívané v konstrukci senzorů [17] Technologie tlustých vrstev Sítotisk Fotolitografie Elektrodepozice, leptání, anodizace Glazurování skelná vrstva Sol-gel drop-coating Mletí, homogenizace Teplotní slinování, rekrystalizace Technologie tenkých vrstev Elektronová litografie a fotolitografie Napařování termické, chemické, elektron. svazkem Naprašování magnetronové, RF, reaktivní CMOS proces Laserové odprašování Elektrodepozice, leptání, anodizace Termické nebo chemické vytváření skla Sol-gel spin-coating nebo dip-coating, impregnace Samovytváření struktur selfassembling 1.1.5 Zpracování výstupního signálu V průběhu let s rozvíjením mikroelektroniky a zpracováním signálů se vyvíjela i obvodová složitost senzorů. Nejjednodušším typem je analogový elektronický detektor, jehož výstupem může být analogová veličina jako stejnosměrné napětí či proud získané většinou zesilovačem. Dalším stupněm je A/D převodník, jenž převádí analogovou veličinu na digitální. Takový výstup je už snadno přenášen na větší vzdálenosti díky většímu odstupu signál/šum a může být dále zpracován počítačově. Signál je převáděn v případě jednovodičového výstupu do podoby impulzů, např. šířkově modulované (PWM) [18] nebo přírůstkově modulované (PDM) [19] jako bit-stream, nebo je převeden na n-bitové slovo po n-žilovém vodiči, popř. je přenášen sériovou linkou. Současná číslicová technika umožňuje využít miniaturních mikrokontrolérů přímo u senzoru, čímž je senzor vybaven inteligencí, zpracováním signálů a sofistikovaným výstupem (sběrnicí) komunikující podle určitého protokolu. Nejznámější sériovou a paralelní sběrnicí je RS-232 [20], který je vytlačován USB 2.0, [21], dále CAN [22], GPIB [23] a v současnosti přímé připojení do sítě Ethernet [24] nebo do sítě vyvinuté speciálně pro senzory nazvané IEEE 1451 [25]. Tento vývoj znázorňuje obrázek 1.3. Název SMART senzor Senzor s digitálním zpracováním Senzor s electronickým detektorem Snímač -převodník Podmět, prostředí (měřená veličina) Převod neelektrická veličina/ elektrická veličina Analogové vyhodnocení signálu A/D převodník Mikroprocesorové řízení Signál ke sběrnici (výstupní veličina) Obrázek 1.3 Vývoj senzorů vyjadřující nárůst jejich složitosti [2] 8

Senzory, které mají alespoň základní inteligenci (obsahují všechny celky), nazýváme inteligentní senzor. Základní inteligence takového senzoru spočívá v autotestování, autokalibraci a automatickou změnou rozsahu s udáním jednotky [2]. Rozšířená inteligence bývá zpravidla v autokompenzaci podle kalibračních křivek, metody zpracování signálů jako Z-transformace, Wavelet-transformace, Fuzzy-logika a neuronové sítě. Jsou-li jednotlivé celky integrovány společně na jeden čip, pak mluvíme o SMART senzoru (nemusí být nutně inteligentní senzor) [26]. 9

2 Cíle práce Cílem práce jsou mikrosenzory založené na mikroelektrodách a materiálech umožňující využít elektrochemických metod. Důležité aspekty práce jsou nejenom v konstrukci, materiálech, ale také v použitých metodách měření a zpracování výsledků. Nejčastěji jsou analyzovány plyny a roztoky, proto lze rozdělit cíle na senzory detekující veličiny z plynů a nebo z kapalných roztoků. S rozvojem nanotechnologií je velmi zajímavé využití nanočástic a nanostrukturovaných materiálů pro zlepšení senzitivity a selektivity stanovení analytu. Vedle konstrukce senzorů je nutné se zabývat metodikou měření a zpracování výsledků zahrnutých do inteligentního senzoru, popřípadě přídavných systémů jako např. hydrodynamický systém, které v celku tvoří komplexní analytické zařízení zajišťující požadované podmínky pro přesná měření. 2.1 Planární konduktometrické senzor Cílem práce je ukázat, za jakých podmínek lze využít miniaturní planární senzor s interdigitální strukturou elektrod. Důležitým dílčím cílem je možnost měření v širokém rozsahu vodivostí bez potřeby změny cely s vhodnější konstantou. 2.2 Odporové mikrosenzory plynů Měření plynů stále více proniká do všech oblastí života, a proto je nutné vytvořit miniaturní detektory, které budou mít dobrou citlivost, reprodukovatelnost a velmi malou citlivost na vlhkost. Je potřeba najít vhodné katalytické materiály pro mikrosenzory, které zvýší selektivitu v detekci toxických plynů, etanolu a etylenu ve skladech ovoce. 2.3 Nový hydrodynamický elektrochemický systém využívající mikrosenzory Analýzy některých látek na určité pracovní elektrodě vyžadují konvekci, tj. specifikovaný pohyb kapaliny jako je užíván v průtočných celách nebo rotační diskové elektrodě. Průtočné cely již existují, ale jak využít hotový mikrosenzor, který by pracoval obdobně jako rotační disková elektroda, je předmětem výzkumné práce. Cílem je vytvořit konstrukci nového zařízení pro detekci těžkých kovů. 2.4 Senzory pro detekci některých biologicky zajímavých látek U mnoho proteinů vyskytujících se u živých organismů byla zjištěna elektroaktivita, lze je elektrochemickými metodami detekovat. Některé z nich byly v dnešní době označeny jako biomarkry některých látek, většinou toxických. Cílem je využít elektrochemických metod pro sledování koncentrace biologicky významných sloučenin. 2.5 Nanostrukturované elektrody pro chemické senzory Miniaturizace senzorů přináší problém s citlivostí. Elektrodové systémy o velikosti několika µm mají velmi malou plochu, což snižuje jejich citlivost. Cílem je modifikovat povrch mikroelektrody nanostrukturami pro zlepšení detekčních vlastností senzorů. 10

3 Výsledky s komentářem V této práci je předložen soubor publikací s komentářem v oblasti chemických senzorů pro elektrochemickou analýzu, které se zabývají miniaturizací senzorů, využitím nových materiálů, nanotechnologií a levných metod výroby, přičemž je kladen důraz na srovnání jednotlivých řešení z hlediska vlivu konstrukce a materiálů na dosažené výsledky měření (analýzy), tj. citlivosti a limitů detekce jednotlivých senzorů. Od roku 1997 bylo studováno několik různých druhů chemických senzorů a jejich miniaturizací za využití mikroelektronikých technologií. Prvně to byly konduktometrické senzory pro vodné roztoky, dále odporové senzory plynů, voltametrické senzory v oblasti detekce těžkých kovů a nakonec i biosenzorů. 3.1 Planární konduktometrický senzor Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Hubálek, J., Krejčí, J.: Correction Factors of IDEs for Precise Conductivity Measurements. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 91, p. 46 51. Práce [1.a] se zabývá impedanční spektroskopií vodivostních čidel miniturizovaných tlustovrstvou technologií. Výsledky ukazují, že elektrický model je nutné doplnit o parazitní kapacitu nosné destičky (substrátu), na kterém jsou senzory vyrobeny. Tato kapacita substrátu znemožňuje měření impedance na vysokých kmitočtech. Oblast vhodná pro měření vodivosti roztoku je tak vymezena minimálním použitelným kmitočtem fbminb, který je již za oblastí difúze, a maximálním kmitočtem fbmaxb, kdy se začíná uplatňovat parazitní kapacita substrátu. Oblast mezi fbminb a fbmaxb se posouvá směrem k nízkým kmitočtům pro nízké vodivosti roztoku, a naopak pro velké vodivosti roztoku (obrázek 3.1). Impedance magnitude (kω) Modul impedance (kω) snižování κ zvyšování κ 0 1 1/τ 1 f MIN 1/τ 2 f MAX 1/τ 3 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Frekvence Frequency (Hz) (Hz) Obrázek 3.1 Frekvenční charakteristika vodivostního senzoru s vyznačenou oblastí vhodnou pro stanovení měrné vodivosti roztoků a pohybem této oblasti na její závislosti [27]. Výsledky naznačují, že optimálních výsledků lze dosáhnout při měření na rozhraní, kdy se přestává uplatňovat difúze a začíná půlkruhová část způsobená odporem přenosu náboje a kapacitou dvojvrstvy. V tomto zlomu křivky v komplexní rovině je kapacitní složka nejmenší a ve výsledné impedanci je nejvýznamější reálná část vyjádřena odporem roztoku mezi elektrodami 11

a odporem přenosu náboje na těchto elektrodách. Oba parametry přímoúměrně závisí na měrné vodivosti roztoku. Vztah mezi kapacitními minimy a koncetrací roztoku ukazuje patrnou známku jasně definované závislosti, ze kterých lze odvodit lineární vztah kmitočtu na koncetraci iontů (zde chloridových) v roztoku. Z toho vyplývá, že při měření vodivosti je nutné měnit měřící kmitočet, aby přesnost měření mikrosenzorem byla zachována. Navíc se tím ukazuje možnost měření v širokém rozsahu vodivostí bez nutnosti výměny cely tak, jak to je nutné provádět u běžných makroelektrod. Tato výhoda je přímo požadována, protože výměna cely u integrovaného systému není možná. Při experimentu bylo dosaženo relativní chyby měření měrné vodivosti kolem 2 % a dodatečnou korekcí článkové konstanty bylo možné snížit chybu měření na 1 %. 3.2 Odporové mikrosenzory plynů Výsledky byly uveřejněny v publikacích: Ivanov, P., Llobet, E., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Correig, X.: A route toward more selective and less humidity sensitive screen-printed SnO2 and WO3 gas sensitive layers. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 100, p. 221 227. Bittencourt, C., Llobet, E., Ivanov, P., Correig, X., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Pireaux, J., Calderer, J.: Influence of the doping method on the sensitivity of Pt-doped screen-printed SnO2 sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 2004, 97, p. 67 73. Ivanov, P., Llobet, E., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Correig, X.: Development of high sensitivity ethanol gas sensors based on Pt-doped SnO2 surfaces. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 99, p. 201 206. Hubálek, J., Malysz, K., Prášek, J., Vilanova, X., Ivanov, P., Llobet, E., Brezmes, J., Correig, X., Svěrák, T.: Pt-loaded Al2O3 catalytic filters for screen-printed WO3 sensors highly selective to benzene. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 101, p. 277 283. Llobet, E., Ivanov, P., Vilanova, X., Brezmes, J., Hubálek, J., Malysz, K., Gracia, I., Cané, C., Correig, X.: Screen-printed nanoparticle tin oxide films for high-yield sensor systems. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 96, p. 94 104. Ivanov, P., Llobet, E., Stankova, M., Vilanova, X., Hubálek, J., Correig, X.: Towards a micro-system for monitoring ethylene in warehouses. Sensors and Actuators B: Chemical. 2005, 111 112, p. 63 70. Stankova, M., Ivanov, P., Llobet, E., Brezmes, J., Vilanova, X., Gracia, I., Cané, C., Hubálek, J., Malysz, K., Correig, X.: Sputtered and screen-printed metal oxide-based integrated microsensor arrays for the quantitative analysis of gas mixtures. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 103(1 2), p. 23 30. Khatko, V., Llobet, E., Vilanova, X., Hubalek, J., Malysz, K., Correig, X.: Gas sensing properties of nanoparticle indium-doped WO3 thick films. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 111 112, p. 45 51. 12

Khatko, V., Guirado, F., Hubálek, J., Llobet, E., Correig, X.: X-ray investigations of nanopowder WO3 thick films. Physica status solidi, 2005, 202, p. 1973 1979. Výzkum odporových senzorů byl prováděn na katalánské univerzitě Rovira i Virgili v Taragoně ve Španělsku. Předmětem výzkumu bylo navrhnout testovací elektrodový systém a připravit tlustovrstvé pasty z mikrokrystalického prášku SnOB2B a WOB3B pro tisk aktivních vrstev o tloušťkách mezi 20 30 µm. Konstrukce senzoru byla koncipována na elektrodách oddělených od topného meandru nosným substrátem. Celý substrát o rozměru 5 5 mm byl prohříván tak, aby se na opačné straně, kde byla natištěna aktivní vrstva, dosáhlo požadované teploty. Pasty připravené z mletého komerčního prášku s přídavkem anorganického pojiva, jimiž byly skelné frity nebo BiB2BOB3B, CuOB2B, a různých katalyzátorů jako příměsí, byly testovány v různých plynech a porovnány. Námi připravené pasty měly velmi dobré reologické vlatnosti a byly velmi dobře tisknutelné s vysokou porézností vrstev, jak dokládají práce [2.a] [2.d]. Výsledky ukázaly, že vrstvy s BiB2BOB3B mají nízkou citlivost na vlhkost oproti vrstvám s CuOB2B [2.a]. Testovány byly vrstvy ze slinutých krystalů SnOB2B a WOB3B v různých plynech. Bylo zjištěno, že polovodivý oxid SnOB2B je nejcitlivější na etanol při teplotě 300 C, což odpovídá schopnosti detekce uhličitanů prokázaný u tohoto materiálu. Vrstva s anorganickým pojivem BiB2BOB3B byla citlivější než směs BiB2BOB3B+CuOB2B. U vrstvy WOB3B byla prokázána citlivost na dusíkaté sloučeniny jako amoniak a toxický NOB2B. Největší rozdíl oproti citlivosti vrstvy SnOB2B byl v detekci amoniaku, kde bylo prokázáno, že WOB3B je zhruba 8 citlivější už při 1 ppm amoniaku. Zajímavé je, že v tomto případě byla vrstva s pojivem BiB2BOB3B+CuOB2B citlivější než v případě bez oxidu mědi. Naopak citlivost na metan a CO nebyla prokázána u žádného materiálu, přestože SnOB2B by měl být citlivý na tyto plyny. Jako vysvětlení se nabízí právě přítomnost anorganického pojiva, které svými katalytickými účinky znatelně zlešuje odezvu na dusíkaté plyny a může potlačovat reakce některých uhlíkatých plynů. V další práci [2.b] byl stejný prášek SnOB2B smíchán se skelnou fritou jako pojivem a u dvou vzorků přidána platina jako katalyzátor přimícháním do pasty nebo naprášením tenké vtsvy na vrstvu SnOB2B. Obrázky z elektronového mikroskopu opět potvrzují velkou poréznost a tím i plochu materiálu ve styku s plynem. Výsledky měření na různé koncentrace etanolu ukázaly, že senzor bez platiny má přibližně stejnou citlivost jako komerční senzor Taguchi založený na SnOB2B. U vrstev s přídavkem Pt byl prokázán vliv tohoto katalyzátoru na odezvu senzoru v plynech etanolu, která byla nejvyšší pro Pt prášek homogenizovaný přímo do pasty, než senzor s tenkou vrtvou Pt na povrchu SnOB2B. Energiově disperzní rentgenová analýza (EDX) ukázala velmi homogenní rozložení částic Pt ve vrstvě SnOB2B, které díky poréznosti vrstvy přineslo vyšší učinnost katalýzy Pt než její přítomnost pouze na povrchu vrstvy. V práci [2.c] byl zkoumán vliv teploty sintrování aktivní vrstvy na její citlivost ve sledovaném plynu. V tomto případě byla sintrovací teplota oproti předchozí práci snížena na 600 C z důvodu vlivu na krystalografickou fázi a předpokládanému zvýšení citlivosti. Zde byl použit materiál SnOB2B dopovaný Pt nebo TiOB2B nebo Ag a etanol jako testovací plyn. Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) ukázala opět mnohem lepší distribuci platiny v objemu vrstvy oproti naprášené vrstvě Pt na povrchu aktivní vrtsvy, která nedifundovala do objemu, přestože byla vrstva vystavena dalšímu sintrování při teplotě 450 C. Opět se potvrdily výsledky z předchozí práce, že vrsva SnOB2B dopována Pt přidáním do pasty má nejvyšší citlivost na etanol oproti nedopované vrstvě a dopované Pt naprašováním, a to při teplotě 300 C. Další dopanty jako TiOB2B a Ag neukázaly výrazné zlepšení citlivosti. Práce také demonstrovala, že vytvořeným senzorem lze detekovat koncentrace etanolu v atmosféře na úrovni ppb. 13

Jedním z velmi zajímavých a velmi slibných dílčích výsledků práce [2.a] byla prokázaná citlivost WOB3B na benzen. Z toho důvodu byly provedeny další experimenty publikované v práci [2.d]. Vzhledem k tomu, že bylo nutné potlačit citlivost vrstvy na amoniak a NOB2B, byla zvolena koncepce užití katalytického filtru. Na vrstvu WOB3B obsahující pojidlo BiB2BOB3B byla vytvořena další vrstva sloužící jako předkatalýza, jejíž produkty spodní aktivní vrstva detekovala. Byly vyzkoušeny dvě varianty: první verze obsahovala natištěnou Pt vrstvu oddělenou od aktivní vrstvy natištěnou inertní vrstvou AlB2BOB3B; druhá varianta byla tvořena pouze jednou vrtvou obsahující smíchaný AlB2BOB3B prášek s Pt práškem v poměru, aby měla vrstva co nejmenší elektrickou vodivost. Výsledky ukazují, že citlivost senzoru s katalytickým filtrem vzrostla 5. Lepší výsledek byl dosažen s první verzí filtru. Pracují-li jednen senzor s filtrem a druhý bez filtru diferenčně, dosáhne se vynikající selektivity na benzen při 300 C, jak potvrzují dosažené výsledky při testování odezvy na amoniak, NOB2B, etanol CO a metan. Na poslední dva plyny žádný z použitých senzorů nereagoval zaznamenatelnou změnou odporu vrstvy. V předchozích pracech bylo využíváno mikrokrystalického prášku pomletého za mokra nebo sucha v planetovém plýnu. Jako moderních materiálů jsme začali využívat komerčních nanoprášků, které by mohly slibovat lepší vlastnosti aktivních vrstev. Nanoprášek má oproti mikroprášku mnohem větší plochu vzhledem k jeho objemu. Je zřejmé, že plocha aktivní vrstvy spolu s porézností vrstvy bude u nanoprášku mnohonásobně větší než u mikroprášku. To ale nezpůsobí větší citlivost vrstvy, jak by se mohlo na první pohled zdát, ale bude stejná. Uvážíme-li, že určité ploše bude odpovídat určitý odpor aktivní vrsty mezi elektrodami, bude každá změna odporu úměrná změně plochy při stejné koncentraci plynu. Nnavýšení plochy způsobí stejnou změnu odporu jak v čitateli, tak i ve jmenovateli vztahu pro výpočet citlivosti. Citlivost se tedy použitím nanoprášku nezmění. Přesto se očekává, že některé fyzikálně-chemické vlastnosti se mohou změnit z důvodu kvantově mechanických, které se u nanočástic začínají projevovat oproti makroskopickým ekvivalentům. S určitostí můžeme říci, že oproti citlivosti nanočástice v aktivní vrstvě způsobí větší odezvu, tj. větší změny odporu. Tato vlastnost je v miniaturizaci velmi důležitá, protože menší a menší geometrické velikosti elektrod a tím i aktivních vrstev způsobují snižování velikosti odezev elektrod. Dochází k tomu, že pro nízké koncentrace je změna odporu tak malá, že ji lze těžko odlišit od úrovně šumu vrstvy, zhoršuje se tak limit detekce senzoru způsobený špatným poměrem signál/šum. Využitím nanočástic můžeme odezvu senzoru mnohonásobně zvýšit a při zachování stejného limitu detekce lze tedy snímač senzoru o stejnou míru zmenšit. Výsledky miniaturizace senzorů plynů s nanopráškovými vrstvami jsou shrnuty v publikacích [2.e] [2.g]. Práce [2.e] [2.f] pojednávají o nanopráškovém SnOB2B a WOB3B použitém při miniaturizaci senzoru, který byl konstruován tenkovstrvou technologií na křemíkovém substrátu (čip) a obsahuje 4 nezávislé senzory o geometrické velikosti aktivních vrstev 400 400 µm a 200 200 µm. Konstrukce je zvláštní tím, že každý senzor je na tenké mebráně z SiOB2B, která vznikla vyleptáním křemíku z opačné strany substrátu. Tyto senzory se nazývají v angličtině micro-hotplate, což umožňuje vyhřívat pouze tenkou membránu a ne celý čip, tzn. každý senzor lze nezávisle vyhřívat na jinou teplotu. Největší přínos této konstrukce je oproti původnímu tlustovrstvému řešení na korundovém substrátu v příkonu potřebném na vyhřívání senzor na požadovanou teplotu. Zatímco u tlustovrstvého senzoru o rozměru 10 10 mm byl potřebný příkon na vyhřátí k teplotě 450 C kolem 5 W, u tenkovrstvého senzoru o rozměru čipu 5 5 mm (jeden senzor 1/4 = 2,5 2,5 mm) to bylo pouhých 80 mw. Protože jeden čip obsahuje 4 nezávislé senzory, je spotřeba celého čipu maximálně pouhých 320 mw. Rozdíl mezi technologiemi miniaturizace může být velký a naše 14

výsledky ukazují, že tenkovrstvým čipem se podařilo 15 snížit příkon při čtyřnásobném množství získané informace (4 snímače) a čtyřnásobně menším senzoru. V práci [2.e] byly vrstvy SnOB2B vytvořeny sítotiskem. Pasta byla tvořena čistým nanopráškem bez přídavku anorganického nosiče pouze s organickým nosičem na bázi terpineolu. Tisk byl prováděn na substrát vyhřátý na 60 C, aby se zamezilo následnému popraskání vrstvy v době tzv. vyrovnávání pasty po tisku před sušením vrstvy. Sintrace byla prováděna při teplotách 600 C, aby nedošlo ke zničení tenkých vrstev. Adheze sintrovaných vrstev byla velmi dobrá a další operace jako leptání membrán a pouzdření ji neovlivnily. Výtěžnost byla 95 %. Na čipu byly vytvořeny dva druhy elektrod: první typ byly dvě jednoduché elektrody tvořené pouze dvěmi prsty, druhý typ byly víceprstové elektrody ve tvaru hřebínků zasazené do sebe tzv. interdigitální struktura. Výsledky ukázaly, že u hřebínkových elektrod bylo dosaženo lepších výsledků hlavně ve zvýšení citlivosti než u jednoduchých elektrod. Zajímavostí této práce bylo využití 4 čidel a diskriminační metody pro identifikaci směsí plynů. Bylo využito funkcí Matlabu, s jehož pomocí byla aplikována základní analýza prvků (PCA). Výsledky byly dobře reprodukovatelné, pouze směs acetonu s amoniakem bylo obtižné odlišit od čistého amoniaku. Proto bylo použito nelineárních diskriminačních metod jako multivrstvový perceptron (MLP) a fuzzy ARTMAP neuronová síť. První metoda se příliš nepoužívá v senzorice plynů. Druhá metoda je velmi výhodná pro její rychlé a efektivní učení. Metoda MLP nedokázala dobře rozlišit etanol od acetonu a měla stejný problém jako PCA. S fuzzy ARMAP neuronovou sítí bylo dosaženo nejlepšího rozpoznávání; přestože problém s rozpoznáním směsí s amoniakem přetrvával, nebyl tak výrazný jako u první metody. Z těchto důvodů byla poslední metoda vyhodnocena jako nejúspěšnější. Vedle aktivní vrstvy SnOB2B byla též testována vrstva z WOB3B a výsledky publikovány v [2.f], jak bylo zmíněno výše. V této práci byly oba materály aktivních vrstev dopovány drahými kovy jako Pt, Pd a Au pro jejich katalytické vlastnosti. Proces dopování probíhal formou impregnace nanoprášku výchozího aktivního materiálu (zde SnOB2B a WOB3B) v roztoku chloridu daného kovu, kyseliny chlorovodíkové a dusičné. Následnou neutralizací, odpařením a kalcinací při teplotě 350 C byl získán nanoprášek, kde každá částice oxidu byla v podstatě potažena velmi tenkou vrstvou požadovaného kovu. Z tohoto materiálu byla poté vytvořena pasta na bázi terpineolu jako organického nosiče. Tisk byl proveden ve 4 krocích, takže každý snímač na čipu měl jinou aktivní vrstvu. Výpal pasty byl stejný jako v předchozí práci, tj. při teplotě 600 C pro zajištění dobré adheze a vyhoření organického nosiče. Senzory byly testovány v plynech, které se mohou vyskytovat ve skladech ovoce a zeleniny jako amoniak, etylen a etanol. Sumarizované výsledky lze shrnout do dvou závěrů: 1) Vrstva WOB3B pracující při teplotě 450 C vykazuje vysokou citlivost na amoniak a žádnou na etylen, vrstva SnOB2B dopovaná Pt má výbornou odezvu na etanol při teplotě 350 C a etylen při teplotě 450 C. SnOB2B doponovaná Pd měla při teplotě 450 C dobrou citlivost na amoniak a etylen. 2) Mikrosenzor pro monitorování skladování ovoce by sestával ze 4 čidel, přičemž jedno by mělo vrstvu WOB3B, dvě SnOB2B dopované Pt pracující při rozdílných teplotách a jednu s SnOB2B doponovanou Pd. Vyhodnocení by se provádělo neuronovou sítí. Práce [2.g] porovnává aktivní vrstvy s nanočásticemi SnOB2B vytvořenými sítotiskem a reaktivním r.f. magnetonovým naprašováním na miniaturním senzoru se čtyřmi micro-hotplates. Odezvy obou typů vrstev byly přibližně stejné, ale s pomocí diskriminační metody založené na fuzzy ARTMAP bylo dosaženo lepšího rozpoznávání směsí u naprašovaných vrstev. Také tyto vrstvy dosahovaly nižší citlivosti na vlhkost oproti tištěným vrstvám. Studium WOB3B dopovaného indiem a jeho vliv na citlivost v plynech bylo publikováno v [2.h] [2.i]. V první práci bylo ukázáno, že množství dopovaného india dobře koresponduje se 15

skutečností a že indium difundovalo do nanočástic WOB3. Velikost nanočástic ve vrstvě se v průměru pohybovala kolem 43 49 nm a nanočástice se vyskytovaly ve dvou monoklinických fázích po výpalu v 600 C. Analýza též ukázala, že vrstvy neobsahují nežádoucí chlór, jenž byl součástí impregnačního procesu. Výsledky měření v plynech ukázaly schopnost čistého WOB3B detekovat NOB2B při nízké teplotě 100 C. Indiem dopovaný WOB3B byl schopen selektivně detekovat NOB2B při teplotě 200 C a CO při 300 C. V druhé práci byly rentgenovou difrakční analýzou (XRD) analyzovány vzorky vrstev WOB3B dopované Ag, In a Bi. U čistého materiálu WOB3B tvořeného nanočásticemi byly opět potvrzeny dvě krystalografické fáze. Vliv dopantů se projevoval v rozdílném fázovém poměru. Indium způsobovalo zvyšování parametrů krystalu WOB3B při zvyšování koncentrace, zatímco u Bi a Ag tento vliv nebyl pozorován. Sintrovací teplota ovlivnila výslednou velikost krystalů WOB3B z 42 nm u nanoprášku na 64 nm po sintrování. Indium tento růst nijak neovlivnilo, naopak u Ag byl vliv nárůstu velikosti krystalů pozorován. U Bi byl pouze pozorován ojedinělý růst krystalů do velikostí 200 nm. Pomocí EDX analýzy bylo porovnáno množství dopantů v zakladním materiálu, což u Bi a In potvrdilo očekávané množství použité pro dopování, ale u Ag bylo skutečné množství nalezené ve vrstvě podstatně nižší. 3.3 Nový hydrodynamický elektrochemický systém využívající mikrosenzory Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Prasek, J., Adamek, M., Hubalek, J., Adam, V., Trnkova, L., Kizek, R.: New Hydrodynamic Electrochemical Arrangement for Cadmium Ions Detection Using Thick-Film Chemical Sensor Electrodes. Sensors 2006 6 (11). p. 1498 1512. Cílem práce je eliminovat potřebu rtuťové kapkové elektrody, protože miniaturní 3elektrodový systém nemůže pracovat s tímto tekutým kovem. Z těchto důvodů se zkoušejí různé materiály pro přípravu pracovních elektrod, které se využívají v TLV mikrosenzorech. Pro tento účel byly zvoleny jako nejvhodnější materiály zlato, uhlík, případně uhlíkové nanotrubky. V práci [3.a] je popsán nový hydrodynamický systém nahrazující rotační elektrodu rotujícím roztokem kolem vloženého senzoru s elektrodami (pracovní uhlíková, referentní AgCl, pomocná platinová), protože mikrosenzor je celý realizován na pevné destičce a je snadno vyměnitelný oproti rotační diskové elektrodě, kterou miniaturizovat takto jednoduše nelze. Výsledky měření ukazují, že oproti jiným způsobům průtoku kapaliny přes použité mikroelektrody se s navrženým systémem dosahuje až 3 4 větší odezvy na přídavky roztoku CdClB2B než u ostatních zkoumaných systémů (míchaný a nemíchaný roztok, peristaltické čerpadlo, mikroprůtokový systém). Dále bylo provedeno měření kademnatých iontů v roztoku a s navrženým systémem bylo dosaženo detekčního limitu 500 nmol/l. 3.4 Senzory pro detekci některých biologicky zajímavých látek 3.4.1 Naftochinony Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Babula, P., Húska, D., Adam, V., Hubálek, J., Kizek, R.: Flow Injection Analysis Coupled with Carbon Electrodes as the Tool for Analysis of Naphthoquinones with Respect to Their Content and Functions in Biological Samples. Sensors 2006, p. 1466 1482. 16

Naftochinony jsou látky přírodního původu; ve většině případů se jedná o barevné pigmenty rostlin [28]. V buňkách jsou deponovány ve vakuolách, kde jsou rozpuštěny ve formě glykosidů [57]. Biosyntéza naftochinonů probíhá šesti možnými biosyntetickými cestami; některé jsou charakteristické pro určité čeledi nebo pouze rody rostlin. Bylo zjištěno, že základním prekurzorem biosyntézy většiny naftochinonů je kyselina šikimová [58]. Naftochinony se používají už po tisíciletí v tradičním lidovém léčitelství. Napomáhají při léčbě některých druhů rakovinných onemocnění, revmatoidní artritidě, bolestivé menstruaci a také při léčbě otoků a zhmožděnin, ke zmírnění bolestí zubů, poruch trávení, průjmech a různých kožních chorobách, k léčbě ekzémů, oparů či vředů, infekčních onemocněních dýchacích cest a dokonce proti syfilis a parazitózám. Práce [4.a] je postavena na nutnosti zkoumat cytopatologické účinky naftochinonů v buněčných kulturách. Bylo testováno analytické určení tří základních naftochinonů (juglon, plumbagin, lawson) za využití TLV senzorů. Přestože se podařilo najít vhodnou a senzitivní metodu stanovení pomocí rtuťové kapkové elektrody, pro miniaturizaci je nutné zládnout metodiku i na jiné pracovní elektrodě. To se podařilo u uhlíkové elektrody a následně pomocí tištěného TLV senzoru s polymerní uhlíkovou pracovní elektrodou. Doba akumulace naftochnonů na TLV byla stanovena jako optimální po 100 s pro získání nejlepší elektrochemické odezvy. Limity detekce naftochinovů byly stanoveny z 3 větší úrovně než úroveň odstupu signál šum (S/N) a byly od 0,15 do 0,35 µg/ml. Ukázalo se, že po jemném obroušení elektrody za použití mikroprášku aluminy a oplachu ji bylo možné opětovně použít pro další analýzu s velmi dobře reprodukovatelnými výsledky. Analýz jednou elektrodou bylo možné provést celkem 5 a relativní chyba stanovení nepřesáhla 5 %. 3.4.2 Ureáza Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Hubálek, J., Hradecký, J., Adam, V., Kryštofová, O., Húska, D., Masařík, M., Trnková, L., Horna, A., Klosová, K., Adámek, M., Zehnálek, J., Kizek, R.: Spectrometric and Voltammetric Analysis of Urease: Nickel Nanoelectrode as an Electrochemical Sensor. Sensors 2007, 7, p. 1238 1255. V roce 1926 byl izolován enzym z Cannavalia enzyformis (Fabacae) štěpící močovinu na amoniak a oxid uhličitý a byl označen jako ureáza [59]. U vyvíjejících se embryí rostlin byl popsán vysoce aktivní izoenzym ureázy. Bylo zjištěno, že enzym vykazuje absolutní substrátovou specifitu, což znamená, že hydrolyzuje pouze močovinu a nereaguje s žádnou jinou strukturně podobnou sloučeninou [60]. Je známo, že bakterie produkují aktivní ureázu, což se u řady z nich využívá pro jejich identifikaci. Nedávno se však tuto vlastnost podařilo prokázat u bakterie rodu Helicobacter pylori (způsobuje záněty žaludku a vyvolává vznik žaludečních vředů) [61]. Většina metod pro stanovení ureázy je založena na studiu její enzymové aktivity nepřímo, tedy rozkladem močoviny [62]. V nedávné době byly uveřejněny práce, které umožňují vysoce senzitivní stanovení proteinů pomocí elektrochemických technik [63]. A také jsou využívány nové materiály s unikátními fyzikálně-chemickými vlastnostmi jako např. nanomateriály [64]. Cílem práce [4.b] bylo analyzovat enzym ureázu pomocí elektroanalytických technik a studovat vliv niklu na změnu elektrochemické odpovědi enzymu. Možnosti interakce proteinu s niklem bylo využito pro navržení jednoduchého senzoru s niklovými nanočásticemi. Protože ureáza je závislá na přítomnosti niklu, byla zkoumána závislost, která ukázala, že v přítomnosti Ni byly výšky píku o 11,5 % vyšší. Schopnost enzymu vázat Ni byla využita u elektrody s nanotyčin- 17

kami vytvořenými deponováním niklu. Měření s vytvořenými nanoelektrodami ukázala výraznou odezvu na denaturovanou ureázu oproti nativnímu enzymu. 3.4.3 Metalothionein Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Petrlová, J., Křížková, S., Zítka, O., Hubálek, J., Průša, R., Adam, V., Wang, J., Beklová, M., Sures, B., Kizek, R.: Utilizing a chronopotentiometric sensor technique for metallothionein determination in fish tissues and their host parasites. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 127, p. 112 117. Metalothionein (MT) byl objeven v roce 1957 jako kovy vázající sirný protein [65]. Je známa různá afinita k jednotlivým iontům kovů, které mohou představovat až 20 % hmotnosti metalothioneinu. Metalothioneiny byly rozděleny nejdříve do tří tříd. Třída I jsou MT vyskytující se u různých savčích druhů. Třída II jsou všechny ostatní proteinové MT nepatřící do třídy I. Do třídy III byly zařazeny metaloisopolypeptidy obsahující gamaglutamyl-cysteinovou jednotku. Základní obecnou vlastností je nízká molekulová hmotnost, vysoký obsah kovů, charakteristický aminokyselinový obsah (vysoký obsah cysteinů, nízký obsah aromatických aminokyselinových zbytků). Bylo navrženo několik MT rodin na základě charakteristické sekvence genů. Sekvenční podobnost však často není dostatečná, a proto byla navržena definice klanu. Klany sdružují MT podle jiných vlastností, tj. obecné struktury, termodynamických vlastností a kovy vázajících skupin. Využití elektrochemické detekce a určení hladiny metalothioneinu u vybraných druhů živočichů v krevním séru bylo cílem práce [4.c]. Byly zkoumány interakce tří těžkých kovů Pb(II), Cd(II), Cu(II) a Ag(I). Detekce MT je založena na metodě vypracované R. Kizekem (2001) [66]. Bylo zjištěno, že zvyšování koncentrace MT způsobovalo posun potenciálu píku, který byl nejmenší u Cd(II), u Cu(II) a Pb(II) byl kolem 100 mv. Zvyšováním koncentrace kovů v roztoku bylo prokázáno vlivem spotřeby kovů, navázáním na MT, že největší afinitu má MT k Cd, pak Ag, Cu a nakonec k Pb, protože v přítomnosti Pb iontů došlo k nejmenšímu snížení MT píku v odezvě elektrody. Přítomnost MT byla zkoumána v gonádě, slezině, játrech a svalech živočichů. Koncentrace MT v gonádě a svalech byla v souladu s koncentrací Pb(II). Podaří-li se na základě těchto výsledků vytvořit mikrosenzor provádějící tuto metodiku, mohlo by se měření těžkých kovů přenést z profesionální laboratoře do běžných podmínek nespecializovaných laboratoří, tedy mezi širší veřejnost. 3.4.4 Glutathion Výsledky byly uveřejněny v publikaci: Zítka, O., Húska, D., Křížková, S., Adam, V., Grace, C., Trnková, L., Horna, A., Hubálek, J., Kizek, R.: An Investigation of Glutathione-Platinum(II) Interactions by Means of the Flow Injection Analysis Using Glassy Carbon Electrode. Sensors 2007, 7, p. 1256 1270. Byl objeven M.J. de Rey Pailhate na konci 19 století jako hydrogenáza síry. Hopkins zjistil, že se jedná o tripeptid kyseliny glutamové, cysteinu a glycinu [67]. Tento thiol má funkci intraa extrabuněčného ochranného antioxidantu. Poměr mezi jeho redukovanou a oxidovanou formou slouží jako marker oxidačního stresu [68]. Podobně jako u metalothioneinu jeho přítomnost sni- 18

žuje účinnost cytostatik založených na kovech, hlavně nejběžněji užívané cis-platiny. Studium interakcí tohoto thiolu s cis-platinou může pomoci zvýšit účinnost cytostatik v boji proti nádorům. V práci [4.d] bylo studováno chování různých glutathionů a interakce s cis-platinou. Pro elektrochemické stanovení bylo použito tištěné uhlíkové pracovní elektrody vhodné pro miniaturizaci elektrody. Optimální ph pro měření bylo v acetátovém pufru kolem 3. Navíc byla provedena analýza glutathionu v průtokovém uspořádání (flow injection analysis; FIA-ED). FIA-ED analýza byla uskutečněna na pracovní elektrodě ze skelného uhlíku v elektrochemické cele za vysokého tlaku. Optimální průtok mobilní fáze byl v rozsahu 0,4 1,5 ml/min. Z experimentálních dat byly sestrojeny hydrodynamické voltamogramy a určen nejvhodnější detekční potenciál. Měření za amperometrických podmínek bylo realizováno při napětí 850 mv. Za těchto podmínek byla odezva uhlíkové elektrody nejvyšší. Detekční limit pro GSH byl dosažen na úrovni 100 pg/ml, což představuje vysokou citlivost senzoru s danou metodou. Navíc bylo možné pomocí uvedené detekční techniky sledovat interakce mezi GSH a cis-platinou. 3.5 Nanostrukturované elektrody pro chemické senzory Výsledky byly uveřejněny v publikacích: Hrdý, R., Hubálek, J.: Using a Porous Alumina Film as a Mask for Formation of Ordered Nanostructures by Deposition Technique. Acta Metallurgica Slovaca. 13(2), p. 155 158. Klosová, K., Hubálek, J.: Fabrication of Nickel Nanowires and Nanotubes by Template- Based Electrodeposition Method. Acta Metallurgica Slovaca. 2007, 13(2), p. 117 120. Práce [5.a] pojednává o možnosti nelitografického vytváření pravidleně uspořádané nanostruktury využívající anodizované aluminy. U anodizace čistého hliníku byla objevena za určitých podmínek schopnost samouspořádání pórů při růstu amorfní keramiky. Tohoto jevu je v práci využito k vytvoření masky, která by měla sloužit ke galvanickému vytváření kovových nanostruktur. Miniaturizace využívá vrstvové technologie, proto se práce zabývá vytvořením tenké vrstvy Al a následné anodizace. Přestože je u Al folie technika perfektně zvládnuta, u tenkých vrstev přináší řadu problémů, jako jsou velké krystaly u naprašovaných vzorků, protože časy depozice jsou dlouhé nebo špatná adheze v případě termického napařování. Výsledky ukazují, že porézní struktury lze dosáhnout, ale uspořádanost je zatím špatná. Z výsledků bylo odvozeno, že naprašovaný hliník by nemusel být tak silný, stačil by o tloušťce 1 µm, což by zmenšilo krystaly ve vrstvě. Lze i kombinovat naprašování a napařování, čímž se zlepší oba parametry vrstvy čistého hliníku. V práci [5.b] je nanoporézní maska již využita pro galvanické vyplňování nanopórů vyredukovanými kovy. V těchto experimentech bylo využito komerčního anodisku přichyceného k elektrodě a Wattovy niklovací lázně. Výsledky ukazují, že ovlivněním ph a koncentrace roztoku lze vytvořit selektivně nanotyčinky nebo nanotrubičky. Tyto výsledky zatím nejsou plnně uspokojivé, protože vedle nanotrubiček se často vytvářejí i tyčinky. Je zřejmé, že faktorů, které ovlivňují růst, je vedle velikosti nanopórů, ph a koncentrace roztoku více, ale dosud jejich vliv nebyl prokázán. Nanotrubičky vzhledem ke svému povrchu by umožnily větší zvětšení plochy než nanotyčinky, ale mají ještě další význam vzhledem k aplikaci, a tím je vlastní pór. Póry v paramagnetických nanotrubičkách by mohly např. sloužit jako nosiče léčiv v medicíně magneticky naváděné do cílového místa působení. 19

4 Literatura [1] Král, V. a kol.: Malý encyklopedický slovník, ACADEMIA, Praha, 1972. [2] Vrba, R., Hubálek, J., Adámek, M.: Mikrosenzory a mikromechanické systémy. Elektronická skripta FEKT VUT v Brně, 2004. [3] Rieger, P. H.: Electrochemistry. New Jersey, Prentice-Hall, Inc., A Division of Simon & Schuster, Englewood Cliffs, 1987. p. 17 [4] Agnew, J.: Thick Film Technology, Hayden Book Co., New Persey (1973). [5] Harper, C. A.: Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics, McGraw-Hill, New York, (1974) [6] Haskard, M. R., Pitt, K.: Thick-Film Technology and Applications, Electrochemical Publications, British Isles (1997). [7] Prudenziati, M.: Thick Film Sensors, Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier Science; 1 edition (August 26, 1994). [8] Berry, R., Hall, P., Harris, M.: Thin Film Technology Princeton, NJ: D. Van Nostrand Co., Inc. (1968). [9] Maissel, L., Glang, R.: Handbook of Thin Film Technology, Mcgraw-Hill (June 1970). [10] Eishabini-Riad, A., Barlow, F. D.: Thin Film Technology Handbook, McGraw-Hill Professional; 1 edition (November 1, 1997). [11] Kenneth, J. A., Schröter, W.: Handbook of Semiconductor Technology, Volumes 1 2, John Wiley & Sons (2000). [12] Kenneth, J. A., Jackson, E.: Handbook of Semiconductor Technology, Volume 2, Quality Resources; 1 edition (2000). [13] Gad-el-Hak, M.: The MEMS Handbook, CRC; 1 edition (September 27, 2001). [14] Yurish, S. Y., Gomes, M. T. S. R.: Smart Sensors and MEMS, Springer Verlag, January, 2005. [15] Leondes, C. T.: MEMS/NEMS:(1) (5), Springer; 1st ed. (2006). [16] Lyshevski, S. E.: MEMS and NEMS: Systems, Devices, and Structures, CRC; 1 edition (January 18, 2002). [17] Ivanov, P.: Design, Fabrication and Characterization of Thick-film Gas Sensors, PhD thesis, Universitat Rovira i Virgili, 2004. [18] PWM Outputs Enhance Sensor-Signal Conditioners, Maxim Integrated Products Application Note 1860, http://www.maxim-ic.com/an1860, Jan 24, 2003. [19] Rodger, R.: Sensor Interface & Calibration Solutions, isensors, http://archives.sensorsmag.com/isensors/dec00/34/index.htm, December 2000. [20] EIA-232 Description, Interfacebus.com, http://www.interfacebus.com/design_connector _RS232.html, 2007. 20