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

Last update: OPEKAR (29.01.2003)

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.

Czech

Last update: RNDr. Hana Dejmková, Ph.D. (21.02.2024)

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.

Výstupy výuky:
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.

Literature

English

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

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

Czech

Last update: OPEKAR (31.01.2003)

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

Requirements to the exam

English

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

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

Czech

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

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

Syllabus

English

Last update: OPEKAR (09.01.2003)

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).

Czech

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

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).