material do curso - LSI - USP

TÓPICOS EM DETECÇÃO
QUÍMICA UTILIZANDO
MICROSSENSORES
Marcelo Bariatto Andrade Fontes
LSI / USP
e-mail: bariatto@lsi.usp.br

Sensor: [ETYMOLOGY: 19th Century: from Latin sensus perceived, from
sentire to observe]
Dispositivo formado por elementos sensibles que detectan variaciones en
una magnitud física y las convierte en señales útiles para un sistema de
medida o control. (Dic. Leng. Española)
Dispositivo que convierte una forma de energía en otra.

Sensor:
Materiales
• Plásticos
• Materiales semiconductores
• Metales
• Cerámicos
• etc
Clasificación genérica:
Ámbito de medida(Hitachi Research
Laboratory), o el Tipo de señal(Middlehoek,
lion et al)
• Radiación
• Térmico
• Eléctrico
• Químico
• Mecánico
• Magnético
• Acústica
• Biológica
• Óptica
• Otras

Características:
• Sensibilidad
Estáticas
• Corriente de operación
• Comparar
• Evaluar
• Resolución
• Selectividad/especificidad
• Estabilidad
• Respuesta en el tiempo
• Condiciones Ambientales
• Vida útil
• Costo,tamaño,peso
• Número de dispositivos
necesarios
• Exactitud
• Formato de salida
•
• Consumo
• Calidad
• Confiabilidad
• Histéresis
• Umbrales de operación
• No lineales
• Señal miníma
• Detectable
• Voltaje de operación
Dinámicas
• Error dinámico de
Respuesta
• Histéresis
• Inestabilidad
• Drift
• Ruido
• Rango dinámico (rango de
operación)

Transductor: [ETYMOLOGY: 20th Century: from Latin transducere to lead
across, from trans- + ducere to lead]
Dispositivo destinado a recibir la potencia(energía) de un sistema (mecánico,
electromagnético acústico, etc) y a transmitirla a otro, generalmente en
forma distinta.
Detector:
Aparato que sirve para detectar.
Detectar : Poner de manifiesto, por métodos físicos o químicos, lo que
no puede ser observado directamente.
Sensor Trasnductor Detector

Introducción
Actuador: [ETYMOLOGY: 16th Century: from Medieval Latin actuatus, from
actuare to incite to action, from Latin actus act]
La definición de un sensor como un dispositivo que convierte energía de una
forma a otra, se aplica también a un actuador. El uso de su clasificación
como sensor o actuador no se basa en la variable fisíca implicada si no en el
proposito de su aplicación.
Si el propósito es medir un cambio se habla de un sensor. Si el propósito es
un cambio o una acción, se habla como actuador.
I Jornadas IberoAmericanas sobre Bioingeniería
1-5 septiembre 2003
Antigua-Guatemala
AECI/CYTED

Sistema: [ETYMOLOGY: 17th Century: from French système, from Late Latin
systema, from Greek sustema, from syn- + histanai to cause to stand]
Conjunto de cosas que, ordenadamete relacionadas entre sí, contribuyen a
un determinado objeto.
Al hablar de sistema este incluye, el sensor o sensores y su hardware para
procesar la señal , sea analógica o digital. Adicionalmente el procesamiento
de señal puede incluir autocalibración, reducción de interferencias,
compensación, corrección de offset y autocalibrado.

Definições I
SENSOR
– Dispositivo que converte uma
grandeza não elétrica
(física ou química) em um
sinal elétrico. Sinal primário
– Sensor cuja dimensão da área
de detecção é menor que
100 µm 2
MICROSSENSOR
Sinal secundário
(elétrico)

Sequência de detecção
(Sensibilidade)

Definições II
SENSOR QUÍMICO E SENSOR BIOLÓGICO
(BIOSSENSOR)
– Dispositivo que converte uma grandeza química ou
biológica em um sinal elétrico.
– Dispositivo de medida que utiliza reações químicas ou
biológicas para detectar e quantificar uma substância.
– Dispositivo de medida que utiliza materiais químicos
(metais, polímeros de baixo peso molecular, óxidos) ou
biológicos (biomoléculas – enzimas, anticorpos), para
detectar e quantificar uma substância.

Ambientes complexos

Vantagens da miniaturização
Portabilidade
Implantes
Volume pequeno de analitos
Resposta rápida
Baixo consumo
Utilização de tecnologias de CI´S e MEMS
– Dimensões reduzidas
– Alta reprodutibilidade e rendimento
– Produção em escala
– Baixo preço
– Sensores com eletrônica integrada (sensores inteligentes)

HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DE
SENSORES QUÍMICOS E BIOLÓGICOS
1916 Primeira de imobilização de proteínas : adsorsão da enzima invertase ao carvão ativo.
1922 Primeiro sensor de pH em vidro.
1925 Primeiro sensor de pH para medidas em sangue.
1954 Invenção sensor de oxigênio Invenção sensor de pressão parcial de oxigênio (pCO2)
1962 Primeiro biossensor amperométrico : detecção da glucose (enzima glucose
oxidaze).Método de geração de membranas de bi-camadas lipídicas.
1964 Sensores de água, hidrocarbonetos, moléculas polares as sulfeto de hidrogênio
(modificação da superfície de um cristal piezoelétrico).
1969 Primeiro biossensor potenciométrico : detecção da uréia (eletrodo modificado com a
enzima urease).
1972 Primeiro analisador comercial para a detecção de glicose (Yellow Springs
Instruments)
1975 Primeiro biossensor microbiológico para a detecção da levedura (eletrodo modificado
com a enzima concanavalin A).
1979 Primeiros sensores SAW (ondas acústicas superficiais) para detecção de gases.
1980 Sensor de fibra óptica para detecção in vivo de pH no sangue.
1982 Sensor de fibra óptica para detecção de glicose.
1983 Teoria e técnicas de fabricação dispositivos em escala molecular.
1986 Primeiro biossensor para a detecção de aminoácidos baseados na utilização de
matéria-prima animal (antenas de caranguejo azul).
1987 Primeiro biossensor baseado em reconhecimento molecularUtilização de enzimas
condutoras na modificação de eletrodos.

Integrated Microsystems ...

I-STAT
Chemfet (quimio-transistor)
ISE (eletrodo selectivo a íons)
Análise clínica
– Gota de sangue
• Na + , Cl - , K + , Ca +
• Uréia, Glicose
• pH
• CO 2 , O 2
• ….
http://www.i-stat.com/graphver/proinfo.htm

Bio-analysis and pharmacological
screening
Micro Total Analysis System
hand-held device
sample
Reservoirs
& mixers
R1
R2
Valves
V1
V2
cartridge
R3
V3
Liquid detector
Sample
V4
Waste reservoir
Pump

TAS: Micro Total Analysis System
An integrated, miniaturized chemical analysis
system
Includes sample preparation, separation and
detection system on a small, single chip.
- Micro pumps
- Micro flow sensors
- Micro mixers
- Filters
- Optical detectors

-0.28
Bio-analysis and pharmacological
screening
Chemical sensors.
Electrical sensors
Sensors of physical
parameters
Sensors of DNA
sequences
-0.16
-0.20
-0.24
-6.00 -5.00 -4.00 -3.00 -2.00

-ChemLab
(Sandia)
http://www.ca.sandia.gov/microchem/MicroChem1.html

Classificação

Qual sensor utilizar

QUIMIO-RESISTORES
Sensor cuja condutividade é alterada por uma
espécie química (gás)
– 1953 Barttain e Bardeen à mudança de resistividade
em materiais expostos a gases :
• semicondutores
• óxidos metálicos (SnO2, ZnO, TiO2, In2O3),
• cristais orgânicos (fitalocianina),
• polímeros condutores (polifenilacetileno, polipirrol)

QUIMIO-RESISTORES
Óxidos metálicos : SnO 2
– Padrão industrial
• 1968 Figaro Engineering Inc. : 50 milhões vendidos
– Adição de traços de metais catalíticos (Pt, Pd) seletividade
– Temperatura de operação : 300 o C a 400 o C
– Potência : 1 W , microssensor : 100 mW
– Baixo custo
– Vida útil : 3 a 5 anos

QUIMIO-RESISTORES

QUIMIO-RESISTORES
Seletividade / sensibilidade f (T)

QUIMIO-RESISTORES
Cristais orgânicos: ftalocianina
– Alta resistividade eletrodos interdigitados
– Vantagens :
• facilidade de deposição : screen printing,
spinning, LB
• baixa temperatura de operação : ~150 o C
• facilidade de modificação de sua estrutura
química
Polímeros condutores: polipirróis
– Início dos anos 80
– Aplica-se os itens acima (materias
orgânicos)
– Facilidade de deposição : eletrodeposição

QUIMIO-RESISTORES
Cristais orgânicos: ftalocianina
Polímeros condutores: polipirróis

QUIMIO-CAPACITORES
Sensor cuja constante dielétrica (à capacitância) é
alterada por uma espécie química (gás).
– Menos suscetível à contaminações superficiais do que
os quimioresistores.
– Materiais : polímeros condutores (spinning)
• polifenilacetileno (CO, CO2, N2, CH4)
– Estrutura interdigidada
– Baixa seletividade e altamente sensível à humidade.
– Medidas :
• C [gás] , f , T

QUIMIO-CAPACITORES

Quimio-Diodos
Sensor no qual alguma propriedade
elétrica de estruturas heterogêneas são
modificadas por uma espécie química
(gás, íons).
– junções PN,
– metal isolante semicondutor (MIS)
– metal isolante metal (MIM)
– ou metal semicondutor (MS) – diodo Schottky)

Quimio-Diodos
Pd
Semicondutor

QUIMIO-TRANSISTORES
Sensor no qual alguma propriedade elétrica da
estrutura de um transistor, usualmente transistor de
efeito de campo (FET) é modificada por uma
espécie química (gás, íons).
– Proposto por Lundström em 1975
– Conceito da estrutura MOSFET (Metal-Óxido-
Semicondutor FET) : 1930
– Estrutura ISFET (ion selective FET) proposta por Bergveld
em 1970.

Quimio-transistores
Porous Pd
gate electrode
H 2 detection

Quimio-transistores
pH
Urea

Chemfets - materiais

Chemfet , Isfet

Teoria dos Centros Ativos

Chemfet

ISE -> CHEMFET

Sensores eletroquímicos
Potenciométricos
Voltamétricos
Amperométricos

Sensores Potenciométricos
ISE – ion selective electrode
membrana

Membranas
Vidro
– H + , Na + , NH + 4
Sais inorgânicos
– F - , S -2 , Cl -
Poliméricas com ionóforos imobilizados
– H + , Na + , NH + 4 , Zn+2 , Efredina , Metadona
Gel com enzimas imobilizadas
– Uréia, Glicose, Penicilina, etc…

Membrana de vidro
Vidro (pH - 1922): Al 2 O 3 + Na 2 O + SiO 2
– SiO - Na + + H + - SiO - H + + Na +

Membrana de Vidro
E = cte + KT/q ln a H
+
pH = -log a H
+
E = cte – 59,1 pH (mV) a 25 o C

Membrana de vidro (gases)
E = cte – 59,1 log[NH 3 ]

Membranas de sais
inorgânicos
E = cte – 59,1 log a F
-

Membranas poliméricas com
ionóforos imobilizados

Detecção de Ca +2
E = cte + 29,6 log a Ca
2+

Detecção de K +

Detecão de NO 3
-
E = cte – 59,1 log a NO3
-

CWE (coated-wire electrode)

Membrans de gel com
enzimas imobilizadas

Quimio-transistores
pH
Urea

Sensores Voltamétricos
Oxigênio
Glicose
Colesterol

Sensor de Oxigênio
V = -800 mV | Ag

Curva Oxigênio

Sensor de Glicose
V = +600 mV | AgAgCl

Sensor de Glicose (no sangue)
V = +160 mV | AgAgCl

Sensor de Colesterol
V = - 50 mV | AgAgCl

Glucose
Glucose tests:
»Clinical laboratories
»At home for diabetic patients
Today: finger pricks for blood
»Painful
»Inconvenient
»Daily analysis for diabetics
Applications: Measurement through skin (SpectRx, Inc.)
glucose measurement form interstitial
fluid (ISF)
No implanted components
Tiny pores for ISF
Disposable biosensor

Glucose - Commercial applications (example)
Measurement from blood and measurement through skin.
GlucoWatch®
• Collects glucose from skin, no finger pricks
• Every 20 minutes a glucose reading

Array of 1024 electrodes
for O 2 mapping
80 x 40µm
Hermes, T.; et al.;Sensors and Actuators B, vol. 21, pp. 33-37, 1994.

Detecção Eletroanalítica de
metais pesados
A detecção eletroquímica
começa com o processo
chamado "pré-concentração
Após o tempo de pré-concentração,
o potencial é invertido na direção
anódica de oxidação onde o metal
que se concentra no eletrodo é
removido, processo este chamado de
remoção “stripping”

Curva de oxidação para o
aumento de concentração
Aumentando a
concentração específica
de íons causa uma
intensificação do pico de
redução

Curva de Calibração
Finalmente uma curva de
calibração
(corrente x concentração)
pode ser obtida do pico
atual ou da área abaixo da
curva de redução

LTCC
Fluid Merging
Passive
Mixer
Measuring
Cavity
Sensor Array
Inlets
Nozzle
Electrical outputs
Detection Electrode
Ag/AgCl Electrode
Detection Electrode
Counter Electrode
Fluid Outlet
Fluid Outlet

LTCC Processing

FEM Mixer Nozzle
Simulation
– It was observed
velocity increase and
a pressure drop on
sensor region typical
for this kind of
structure.
sensor
Fluid Velocity
– Simulations have
shown that at the
output nozzle fluid is
well mixed with
constant velocity,
renewing constantly
analyte solution on
sensor.
sensor
Pressure Drop

Resultados (Hg)

Water Quality Microsensor

Implantes
DEVELOPMENT OF AN ARRAY OF MICROELECTRODES
– SMALL VOLUME OF THE SAMPLE
– MULTISPECIES AND MULTIPOINT ANALYSIS
– SILICON PLANAR TECHNOLOGY
BIOLOGICAL APPLICATIONS
– NEURAL ACTIVITIES
– INTRACELLULAR ELECTROCHEMICAL RECORDING
– IONIC DISTRIBUTION
– ELECTRICAL DETECTION AND STIMULATION
– DETECTION OF BIOLOGICALLY RELEVANT MOLECULES
SUCH AS (NITRIC OXIDE)

NITRIC OXIDE
BIOLOGICAL IMPORTANCE
OF THE NITRIC OXIDE
– neurotransmission
– macrophage function
– muscle relaxation
– long term memory
• ELECTROCHEMICAL DETECTION
AMPEROMETRY

AMPEROMETRIC DETECTION
NO NO 2- NO
-
3
NO + H 2 O HNO 2 + H + + e - Eo = 0.99 V
HNO 2 + H2O
NO 3- + 3 H + + 2 e - Eo = 0.94 V
NO + ½ O 2 NO 2
[ NO ]
• Reference Electrode: close as possible from
detection electrodes
• Auxiliary Electrode : far / 10 x larger
• Reference Electrode: close as possible
I
SENSITIVITY
f (AREA, Vapp)

MICROPROBE FABRICATION
Glass micropipette
Carbon
Metal
– Single electrode
– Low reproducibility

MICROMACHINING TECHNIQUES
Boron etch stop
Deep boron diffusion
– high temperature and time
Lateral diffusion
– “large”dimensions
Strong crystal orientation
dependence
Plasma etching
Low temperature process
Better shape definition and
thickness control
– without lateral diffusion
Quick process
Low silicon crystalline orientation
dependence

PROBE DESIGN
Needle shape general
purpose
electrochemical
system
Multipoint and
multispecies detection
2 to10 gold
µelectrodes
– 90 to 340 µm tip
Ag/AgCl reference
Platinum auxiliary

FABRICATION RESULTS - SEM and AFM
High reproducibility
Roughness :12.5 nm
(rms)
– 16 % area

FABRICATION RESULTS - Si PROBES
Etch stop
SIMS analyses
[B]=1.25 10 20 at./cm 3
Plasma
etching

FABRICATION RESULTS –
FINAL DEVICE

Simulation Results
B
Internal stress for an applied load of 3028 µN
Negative signal means compressive stress

SENSOR DESIGN
SENSOR
3 x 10 mm
FEATURES
Working
Au
(10 x 10) m
GENERAL PURPOSE
ELECTROCHEMICAL SYSTEM
– GOLD WORKING µELECTRODES
– Ag/AgCl REFERENCE ELECTRODE
Si 3 N 4
Contacts Pads
Au
(0.5 x 0.5) mm
Reference
Ag/AgCl
– GOLD COUNTER ELECTRODE
STATIC OR FLOW ANALYSIS
Auxiliary
Au
(2 x 0.5) mm
Lines
20 m
MULTIPOINT DETECTION
MULTISPECIES DETECTION

Sensor fabrication
IN VITRO DETECTION
I.C. TECHNOLOGY
– COMPUTER GENERATED PHOTOMASKS (2) - LOW COST
– BATCH FABRICATION - HIGH REPRODUCIBILITY

Tecnologia de modificação de eletrodos
Nafion ®
Seletividade
Mercaptopropyl-3-Sulfonate
Sensibilidade
Self-Assembled Monolayers (SAM) of Hemin
Hemopeptide (H10H24 -heme)
Nickel-Tetrakis Porphyrin
Tetraruthenated Ni-Porphyrin

Mercaptopropyl-3-Sulfonate

Self-Assembled Monolayers (SAM) of Hemin
First generation of NO or CO sensor using Self-Assembled
Monolayer of hemins onto gold
NO or CO
O
OH
O
OH
30
N
N
III
Fe
N
N
S
S
The receptor: porphyrin
(e.g. Iron(III)protoporphyrin IX)
The linker: a
dimercaptoalkane, e.g.
1,6-dimercaptohexane
S
S
The substrate: Au-electrode

Hemopeptide (H10H24 -heme)

Porphryrins
Nickel-Tetrakis Porphyrin
Tetraruthenate Ni-porphryrin

Results

ELECTROCHEMICAL DETECTION : DPV PARAMETERS
Potential
sweep
Pulse amplitude
Pulse period
Pulse width
Current sampling
Parameter Condition
n o 1 n o 2
Potential sweep (mV/s) 20 12.5
Pulse amplitude (mV) 50 75
Pulse width (ms) 50 80
Pulse period (ms) 200 400
Current sampling (ms) 17
Potential range (mV) 400 - 900

NITRIC OXIDE SENSITIVITY
x 10 -4 A / M
condition n o 2
condition n o 1
2.5 X
3.75
1.39
condition n o 2
condition n o 1
1.8 X
7.02
3.91
DETECTION LIMIT ~ 10 µM

IN VITRO DETECTION
ELECTROCHEMICAL DETECTION : EXPERIMENTAL
SETUP
NO gas
Gas tight burette
Purging system
(N 2 )
NO solution
stirring
Electrode
connections
Electrochemical workstation
Reaction chamber
Faraday cage

SENSOR’S RESPONSE : NITRIDE
CONDITION N O 1 CONDITION N O 2
820 mV
805 mV
CURRENT X 2

NITRIDE SENSITIVITY
8.67 x 10 -5 A / M
SENSITIVITY ~ x 2
3.92 x 10 -5 A / M

ELECTRODE MODIFICATION :
NAFION ® 60 µM
CURRENT : 8
SENSITIVITY : 2

SENSOR'S RESPONSE : NITRIC OXIDE
CONDITION N O 1 CONDITION N O 2
780 mV
760 mV
CURRENT X 2

NITRIC OXIDE X NITRIDE
Condition : N O 2
35 µM
760 mV 805 mV
Concentration : 40 µM

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Microelectrodes Array

Microelectrodes Array

Microelectrodes Array

Sensores de massa
Sensor piezoelétrico (quartz)
– Temperatura de operação T < 50 o C
– f o ~10 MHz
– Propagação no “corpo” do material

Sensores de massa
Sensor SAW (LiNbO 3 )
– f o ~100 MHz a GHz 1pg
– Propagação na superfície do material
– Detecção de : NO 2 , H 2 , H 2 S, SO 2 , CH 4 , C 2 H 6

SAW - materiais

Sensores ópticos

“Sensor harness”
Ruggedized Pocket
PC Device with
802.11b connectivity
(Symbolic Systems)
Patient wireless
monitoring system
Sensor
data
• Pulse-oximeter sensor
(PhiloMetron, Dolphin
Medical)
Alert conditions
to be displayed from
central monitoring system
802.11b signal strengths
Compressed sensor data
w/ intelligent network load
management
To Active Disaster System
And Onsite Database

Evanescent field Chemical
Optical Sensor
Chemical Optical sensor based on a
MZ interferometer