Chemical Sensors and Biosensors - MC230P16

• Title: Chemické sensory a biosensory
• Czech title: Chemické sensory a biosensory
• Guaranteed by: Department of Analytical Chemistry (31-230)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2020
• Semester: summer
• E-Credits: 2
• Examination process: summer s.:combined
• Hours per week, examination: summer s.:2/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: RNDr. Hana Dejmková, Ph.D.
• Teacher(s): RNDr. Simona Baluchová, Ph.D.; RNDr. Hana Dejmková, Ph.D.

Annotation

English

Overview of principles and designs of chemical sensors and biosensors. Definition of chemical sensor and its basic static and dynamic parameters. Electrochemical sensors with liquid electrolyte. Solid-state electrochemical sensors. Sensors based on measurement of electron conductivity. Calorimetric sensors. Mass-sensitive sensors. FET sensors. Optical sensors.

Last update: OPEKAR (29.01.2003)

Czech

Přehled principů a základních uspořádání chemických sensorů a biosensorů. Definice chemického sensoru a jeho základní statické a dynamické parametry. Elektrochemické sensory s kapalným elektrolytem. Solid-state elektrochemické sensory. Sensory založené na měření elektronové vodivosti. Kalorimetrické sensory. Hmotnostní sensory. Sensory na principu FET. Optické sensory.
Přednáška je zakončena kombinovanou zkouškou.
V období epidemiologických opatření se přednáška koná interaktivním způsobem v on-line režimu pomocí Google Meets.

Last update: Dejmková Hana, RNDr., Ph.D. (28.09.2024)

Literature

English

Sensors. A Comprehensive Survey (Eds. W.Göpel, J.Hesse, J.N.Zemel), Vols.2, 3, VCH, Weinheim, 1991.

Last update: Nesměrák Karel, doc. RNDr., Ph.D. (28.10.2019)

Czech

Sensors. A Comprehensive Survey (Eds. W.Göpel, J.Hesse, J.N.Zemel), Vols.2, 3, VCH, Weinheim, 1991.

Last update: OPEKAR (31.01.2003)

Requirements to the exam

English

The course is concluded by elaborating and giving a 10-15 minute presentation on a drawn topic from the issue of chemical sensors.

Last update: Nesměrák Karel, doc. RNDr., Ph.D. (28.10.2019)

Czech

Předmět je zakončen vypracováním a přednesením 10-15ti minutové presentace na vylosované téma z problematiky chemických sensorů.

Last update: Opekar František, prof. RNDr., CSc. (03.11.2011)

Syllabus

English

1. Definition of chemical sensor and its basic scheme: molecular/ionic selector, physical-chemical interaction, physical transducer (regulator). Comparison of properties of a physical (artificial) and biological (human) sensors.

2 .Basic parameters characterizing (chemical) sensors properties: static parameters - response, dynamic range, sensitivity, selectivity; dynamic parameters - response rate, time constant.

3. Sensors based on different physical-chemical principles - a survey:

• electrochemical sensors with liquid electrolyles (liquid-state sensors);

• solid-state elelectrochemical sensors;

• field effect transistor (FET) based sensors;

• electronic conductance sensors;

• calorimetric sensors;

• mass-sensitive sensors;

• optochemical/photochemical sensors.

3.1. Electrochemical sensors with liquid electrolytes:

Potentiometric sensors (ISE, coated wires), gas sensors (Severinghaus type, air-gap, potentiometric biosensors).

Amperometric sensors (wall-jet, thin-layer, tubular), gas sensors (Clark type, amperometric biosensors). Function of porous and nonporous membrane in chemical sensors

3.2. Electrochemical sensors with solid electrolytes:

ZrO2 sensors (lambda sensors, oxygen pump);

Sensors with proton conductors;

Solid-state sensors containing an active layer.

3.3. FET - based sensors:

Ion selective FET (ISFET);

Chemically selective FET (CHEMFET);

Work function sensors.

3.4. Electronic conductance sensors:

Metaloxide (SnO2) sensors (TGS, Figaro);

Chemiresistors (with inorganic active layer, with metalophtalocyanine layer, with conducting organic polymers);

Multisensors, electronic nose (pattern recognition analysis).

3.5. Calorimetric sensors:

Pelistors, pyroelectric sensors;

Heat conductivity based sensors.

3.6. Mass sensitive sensors (piezoelectric crystal / chemically sensitive layer):

bulk acoustic wave - BAW (or quartz crystal microbalance, QCM);

Surface acoustic wave sensor (SAW), application in biosensors.

3.7. Optical sensors:

Sensors with optical fibers (optody).

Last update: OPEKAR (09.01.2003)

Czech

1. Definice chemického sensoru a jeho obecné schema: molekulový / iontový selektor, fyzikálně-chemická interakce, fyzikální převodník, (regulátor). Srovnání vlastností fyzikálního (umělého) a biologického (lidského) sensoru.

2. Základní parametry charakterizující (chemické) sensory: statické parametry - odezva / signál, dynamický rozsah, citlivost, selektivita; dynamické parametry - rychlost odezvy / časová konstanta.

3. Typy sensorů využívající různé fyzikálně chemické principy - přehled:

• sensory elektrochemické s kapalným elektrolytem (liquid state electrolyte sensors);

• sensory elektrochemické s tuhým elektrolytem (solid-state electrolyte sensors);

• sensory s transistory řízenými polem (FET, field-effect sensors);

• sensory využívající elektronové vodivosti anorganických a organických látek (electronic conductance sensors);

• sensory kalorimetrické (calorimetric sensors);

• sensory hmotnostní (mass-sensitive sensors);

• sensory optické (optochemical / photochemical sensors).

3.1. Elektrochemické sensory s kapalným elektrolytem:

Potenciometrické sensory:

• ISE (skleněná, kapalná, solid-state membrána, coated wires);

• plynové sensory (Severinghaus, air-gap, potenciometrické biosensory).

Ampérometrické sensory:

• sensory wall-jet, thin layer, tubular;

• plynové sensory membránové (Clark, ampérometrické biosensory);

• úloha membrány v chemických sensorech, vlastnosti porézní a neporézní membrány.

3.2. Elektrochemické sensory s tuhým elektrolytem:

• ZrO2 sensory (lambda sensory, kyslíková pumpa);

• sensory s protonovým vodičem;

• solid-state sensory s aktivní vrstvou;

3.3. sensory založené na struktuře transistoru řízeného polem:

• iontově citlivý FET (ISFET);

• chemicky citlivý FET (CHEMFET);

• sensory založené na měření výstupní práce elektronu (work function sensors);

3.4. Sensory založené na měření změn elektronové vodivosti:

• metaloxidové (SnO2) sensory (TGS, Figaro);

• chemiresistory (s anorganickou aktivní vrstvou, s metaloftalocyaniny, s vodivými organickými polymery);

• multisensory, elektronický nos (pattern recognition analysis).

3.5. Sensory založené na měření změn teploty:

• pelistory, pyroelektrické sensory;

• sensory založené na měření tepelné vodivosti;

3.6. Sensory hmotnostní:

Piezoelektrický krystal / chem.citlivá vrstva

• krystalový detektor (křemenné mikrováhy - QCM či bulk acoustic wave - BAW);

• surface acoustic wave sensor (SAW, využití pro biosensory).

3.7. Optické sensory:

• sensory s optickými vlákny (optody).

Last update: Opekar František, prof. RNDr., CSc. (18.05.2011)

Learning outcomes

Po absolvování předmětu student:
Vysvětlí, jaké hlavní parametry (bio)sensorů sledujeme z hlediska kvality jejich činnosti; posoudí, zda (bio)sensor vyhovuje těmito svými parametry pro zadanou aplikaci;
Jmenuje nejvýznamnější typy molekulových selektorů a jejich využití při konstrukci biosensorů;
Popíše principy činnosti chemických (bio)sensorů hlavních typů podle fyzikálně-chemického principu, na němž jsou založeny;
Vybere vhodné typy (bio)sensorů pro stanovení konkrétního analytu či skupiny analytů; vyhledá literaturu popisující zkušenosti s příslušnými aplikacemi a na jejich základě porovná vzájemné výhody a nevýhody jednotlivých variant.

Last update: Dejmková Hana, RNDr., Ph.D. (28.09.2024)