Массив химических датчиков — это архитектура датчика с несколькими компонентами датчика, которые создают шаблон для обнаружения аналита из аддитивных ответов отдельных компонентов датчика. Существует несколько типов массивов химических датчиков, включая электронные, оптические, акустические волновые и потенциометрические устройства. Эти массивы химических датчиков могут использовать несколько типов датчиков, которые являются перекрестно-реагирующими или настроены на обнаружение определенных аналитов.
Обзор
Определение
Компоненты матрицы датчиков представляют собой отдельные датчики, которые выбираются на основе их индивидуальных свойств чувствительности (т. е. метода обнаружения, специфичности для определенного класса аналитов и молекулярного взаимодействия). Компоненты датчиков выбираются так, чтобы реагировать на как можно большее количество аналитов; поэтому, хотя чувствительность и селективность отдельных компонентов датчиков различаются, датчики оказывают аддитивный эффект, создавая неселективный отпечаток для определенного аналита при объединении в архитектуру матрицы. Распознавание отпечатков позволяет обнаруживать аналиты в смесях. Массивы химических датчиков отличаются от других многоаналитных тестов, таких как анализ мочи с помощью палочки, который использует несколько специфических сенсорных материалов для целевого обнаружения аналитов в смеси; вместо этого массивы химических датчиков полагаются на перекрестную реактивность отдельных компонентов датчика для создания отпечатков на основе аддитивных реакций компонентов датчика на целевой аналит.
Сравнение с другими химическими датчиками
Устройства с одним датчиком определяют целевые аналиты на основе физических, оптических и электронных свойств. Некоторые датчики содержат определенные молекулярные мишени для обеспечения прочного и специфического связывания с определенным аналитом; однако, хотя этот подход является специфическим, сложная смесь влияет на производительность датчика. Некоторые из этих сложных смесей включают запахи и пары, выдыхаемые легкими. Отдельные химические датчики часто используют контролируемые среды обнаружения, а изменения в условиях окружающей среды (например, температура и влажность) могут влиять на производительность датчика. Массивы химических датчиков используют распознавание образов комбинаторных реакций перекрестно-реагирующих компонентов датчика, чтобы обеспечить обнаружение разнообразного набора смесей в различных условиях. Массивы химических датчиков часто отмечаются как имитирующие пять чувств — слух, вкус, обоняние, соматосенсорику и зрение — потому что комбинаторные реакции на различные компоненты массива конкретных аналитов создают отпечатки для определенных аналитов или смесей, используя как целевые молекулярные взаимодействия, так и распознавание образов.
История
История массивов химических датчиков тесно связана с развитием других технологий химических датчиков, с исследованиями в области электронных химических датчиков, начавшимися в 1960-х годах с демонстрации датчиков на основе оксида металла и полупроводника, способных проводить анализы, такие как кислород. Люди способны идентифицировать и различать приблизительно 10 000 запахов или более, имея при этом только 400 обонятельных рецепторов. Обработка сигналов в мозге отдельных ответов компонентов массива обонятельных рецепторов приводит к распознаванию образов для различения конкретного запаха. Одной из целей проектирования многих массивов химических датчиков является имитация работы обоняния для разработки электронного носа, интегрированного с различными материалами. Объединение массивов химических датчиков с методами распознавания образов имитирует биологические методы сенсорного распознавания. См. Рисунок 1. Существуют коммерчески доступные системы электронного носа, которые используются в пищевой промышленности для контроля качества. Текущие исследовательские работы демонстрируют внедрение принципа электронного носа в мониторинг окружающей среды и медицину как в коммерческих инструментах, так и в носимых электронных устройствах потребительского класса. В основе массивов химических датчиков лежит принцип, согласно которому различные аналиты будут по-разному взаимодействовать с различными материалами. Таким образом, в массиве датчиков может использоваться любой материал, если он по-разному реагирует на различные аналиты или смеси. Исходя из этой идеи, перекрестно-реактивные массивы датчиков стали центром разработки массивов химических датчиков из-за их широкой совместимости с соединениями как компонентами смесей.
Обработка сигналов массива
Сигнал(ы), поступающие от датчика матрицы, должны быть обработаны и сравнены с уже известными шаблонами. Многие методы полезны при обработке данных матрицы, включая анализ главных компонент (PCA), анализ наименьших квадратов и, в последнее время, обучение нейронных сетей и использование машинного обучения для разработки и идентификации шаблонов. Машинное обучение стало более поздней разработкой для генерации и распознавания шаблонов для данных массива химических датчиков. Выбранный метод анализа данных зависит от множества факторов, включая параметры зондирования, желаемое использование информации (количественное или качественное) и метод обнаружения, которые можно классифицировать по четырем основным типам массива химических датчиков: электронные, оптические, акустические волны и электрохимические массивы датчиков.
Массивы электронных химических сенсоров
Первый тип массива химических датчиков полагается на модуляцию электронного сигнала для получения сигнала. Этот тип массива химических датчиков часто использует полупроводниковый материал, такой как металлооксидные полупроводники, проводящие полимеры, наноматериалы или каркасные материалы, такие как металлоорганические и ковалентно-органические каркасы. Одной из простейших архитектур устройств для электронного химического датчика является хемирезистор, а другие архитектуры включают конденсаторы и транзисторы; эти материалы имеют сопротивление, которое может быть изменено посредством физисорбции или хемосорбции целевых молекул и, таким образом, измеряемого сигнала как изменение электрического тока, емкости или напряжения.
Металлооксидные полупроводники в электронных химических сенсорных матрицах
Металлооксидные полупроводники впервые были описаны в 1960-х годах как хемирезисторный датчик для обнаружения одного аналита органических паров. Первые коммерчески доступные хемирезистивные датчики использовали металлооксидные полупроводники для обнаружения оксида углерода. Хотя они наиболее известны своим использованием в детекторах оксида углерода, металлооксидные полупроводники способны определять другие аналиты посредством стратегической настройки их состава. Высокая рабочая температура, необходимая для работы этих датчиков, делает эти полупроводники неэффективными и перекрестно реагирующими, особенно с водой.
В 1990-х годах несколько исследователей из Университета Уорика создали первую перекрестно-реактивную (неселективную) матрицу датчиков на основе металл-оксида-полупроводника, интегрированную с программным обеспечением для распознавания образов для обнаружения и различения органических паров, включая ацетон, этанол, метанол и ксилол, в многоаналитных смесях. Эта система электронного носа была известна как Warwick Nose и объединяла коммерчески доступные полупроводники на основе олова и кремния в формат матрицы для обнаружения газа, см. Рисунок 2. Текущие усилия направлены на развитие формата матриц металл-оксида-полупроводника с использованием методов микропроизводства для обеспечения возможности создания меньших конструкций матриц и интеграции компонентов обработки сигнала в каждый компонент матрицы. Эти микроустройства показали многообещающие результаты с пониженными пределами обнаружения и улучшенной способностью различать летучие органические соединения и оксид углерода с матрицами, содержащими разное количество устройств, и эти системы также уменьшают количество материала датчика с помощью тонких пленок оксидов металлов. Было также показано, что на чувствительность датчиков влияет изменение соотношения металла в каждом устройстве, а при обработке данных использовался анализ наименьших квадратов.
Другим примером металлооксидных полупроводников являются массивы металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (МОП-транзисторов), которые состоят из каталитически активного металла затвора (например, палладия) над слоем диоксида кремния на кремниевой основе p-типа с n-легированными каналами, прилегающими к затвору, и они использовались для обнаружения водорода, аммиака и этанола. Эти МОП-транзисторы посредством адсорбированного аналита модулируют рабочую функцию затвора полупроводника, что вызывает изменения напряжения на устройстве. МОП-транзисторы обладают высокой настраиваемостью, но остаются ограниченными своей перекрестной реактивностью и высокими рабочими температурами.
Полимеры с внутренней проводимостью в электронных химических сенсорных матрицах
Несколько представляющих интерес полимеров с внутренней проводимостью включают полиацетилен, политиофен и полианилин, а другие могут быть сделаны проводящими с помощью процессов, включая химическое легирование. Основная химия, лежащая в основе электронного сенсорного механизма проводящих полимеров, заключается в модуляции проводимости этих полимеров при изменении их физической структуры (набухании) в результате взаимодействия с аналитами (в основном за счет абсорбции). Преимущество использования проводящих полимеров в сенсорных матрицах заключается в том, что существует синтетический доступ к обширной библиотеке полимеров. В результате проводящие полимеры являются многообещающей альтернативой металл-оксидным полупроводникам, поскольку большее количество датчиков с различными функциональными возможностями может быть использовано для разработки более надежной матрицы, адаптированной для конкретных приложений. Идентичность мономера, условия полимеризации и методы изготовления устройств влияют как на морфологические, так и на химические свойства проводящих полимеров, что также способствует большему разнообразию возможных компонентов матрицы, которые могут быть разработаны. Ограничения массивов проводящих полимеров аналогичны ограничениям аналогов одиночных датчиков в том, что пути передачи сигнала через полимерный материал плохо изучены, и оба испытывают трудности с обнаружением неполярных видов из-за минимальной адсорбции на полимере. Несколько коммерчески доступных систем доступны и используются в анализе пищевых продуктов и обнаружении летучих органических соединений; однако прогресс в продвижении массивов хемирезистивных датчиков, использующих проводящие полимеры, замедлился по мере разработки других материалов и методов обнаружения.
Наноматериалы в электронных химических сенсорных матрицах
Разработка новых наноматериалов, таких как графен, углеродные нанотрубки и 2D и 3D каркасные материалы, были представлены как новые классы материалов для применения в электронных химических сенсорных массивах. Для графена и углеродных нанотрубок функционализация поверхности посредством ковалентной или нековалентной модификации и дефекты краевых участков используются в качестве участков для взаимодействия хозяин-гость. Одним из таких примеров являются однослойные углеродные нанотрубки, модифицированные различными металлопорфиринами для обеспечения дискриминации летучих органических соединений.
Проводящие каркасные материалы в электронных химических сенсорных матрицах
Проводящие каркасные материалы имеют схожие механизмы для обнаружения; однако эти материалы могут быть разработаны с установленными активными сайтами, настроенными на определенное молекулярное взаимодействие. Биметаллические металлофталоцианиновые металлоорганические каркасы (MOF) и ковалентные органические каркасы (COF) показали себя многообещающими в хемирезисторах с одним устройством при обнаружении сероводорода, аммиака и оксида азота. Разработка этих материалов в качестве хемирезисторов позволяет стратегически проектировать массивы, способные к целевым молекулярным взаимодействиям, которые могут быть использованы для разработки компонентов массива, адаптированных для обнаружения определенных соединений. Вычислительные исследования нескольких MOF также были сосредоточены на оптимизации того, какие комбинации MOF лучше всего подходят для обнаружения определенных компонентов в различных смесях. Фокус на курировании компонентов каркасного массива продемонстрировал возможность экспериментального и вычислительного проектирования надежных сенсорных массивов.
Электронные химические сенсорные матрицы из смешанных материалов
Были предприняты попытки преодолеть специфические ограничения различных классов материалов, подходящих для использования в матрицах электронных химических датчиков, путем объединения датчиков, изготовленных из разных материалов, в одну матрицу. Одним из примеров являются металлооксидные нанопроволоки, покрытые тонкими пленками MOF, которые, как сообщается, имеют улучшенные сенсорные характеристики по сравнению с датчиками, изготовленными из отдельных материалов. Смеси технического углерода и полимера также продемонстрировали улучшенную дискриминацию аналитов и сигналы элементов матрицы, что позволяет улучшить обнаружение летучих органических соединений как различных классов, так и внутри одного и того же класса.
Молекулярно-импринтированные полимеры также были интегрированы в форматы матриц и продемонстрировали свою полезность, поскольку процесс импринтинга позволяет адаптировать молекулярно-импринтированные полимерные матрицы к конкретным аналитам.
Оптические/колориметрические химические сенсорные матрицы
Отдельно от электронных химических сенсорных матриц существуют оптические химические сенсорные матрицы, которые исследуют химические взаимодействия между целевыми аналитами и чувствительным материалом с помощью света (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного). Как правило, оптические датчики исследуют химические взаимодействия со светом с помощью различных количественных методов, включая поглощение, дифракцию, флуоресценцию, преломление и рассеяние. Как правило, флуоресцентные датчики показывают большую чувствительность, чем другие оптические методы. Оптические датчики состоят из источника света, фильтра(ов) длины волны, образца и детектора, с вариациями в конструкции датчика в зависимости от используемого метода. Подобно электронному носу, оптические химические сенсорные матрицы были отнесены к категории оптоэлектронного носа и аналогичным образом работают, разрабатывая отпечатки пальцев для определенных соединений и используя распознавание образов для идентификации этих компонентов в смеси. Рисунок 2. показывает принципы, лежащие в основе колориметрических и флуорометрических сенсорных матриц. Химические взаимодействия с красителями приводят к изменениям света, обнаруживаемого в оптическом датчике.
Оптические датчики требуют селективного взаимодействия с аналитами, и требуются два компонента: материал зонда и хромо- или флуорофор. Перекрестно-реактивные оптические и флуоресцентные массивы требуют стратегического рассмотрения молекулярных взаимодействий между зондами и аналитами. Подобно электрическим химическим сенсорным массивам, оптические химические сенсорные массивы сталкиваются с трудностями при распознавании в присутствии конкурирующих аналитов, таких как вода. Рассмотрение взаимодействий хозяин-гость позволяет массиву исследовать различные молекулярные особенности, поскольку интеграция «разнородных сенсоров» (неселективных), таких как оптически активные полимеры, позволяет недискриминационно определять различные соединения, в первую очередь основанные на гидрофобности, а так называемые «моногамные» сенсоры с исключительным связыванием с определенным аналитом (во многом похоже на конструкцию «замок и ключ») повысят специфичность и применимость колориметрического сенсорного массива. Независимо от типа чувствительного зонда существует пять основных типов межмолекулярного взаимодействия, которые приводят к измеримым колориметрическим изменениям материала.
Кислотно-основные взаимодействия Бренстеда-Лоури в колориметрических массивах химических сенсоров
Кислотно-основные взаимодействия Бренстеда-Лоури, такие как взаимодействия красителей, обычно используемых в качестве индикаторов pH, являются одним из самых ранних методов колориметрического зондирования. С начала 20-го века природные красители, такие как 7-гидроксиохеноксазон (лакмус) и антоциановый оксониевый краситель, использовались как в качестве индикаторов pH, так и в качестве колориметрических датчиков. Было разработано много других хромофоров с кислотно-основной функциональностью Бренстеда-Лоури, таких как азокрасители, нитрофенолы, фталеины и сульфонфталеины. Кислотно-основная функциональность Бренстеда-Лоури этих хромофоров связана с определенными химическими группами в их структурах и их соответствующим pKa. Изменения цвета в результате событий протонирования/депротонирования можно в широком смысле определить как межмолекулярные взаимодействия с кислотой или основанием определенной силы и/или концентрации.
Кислотно-основные взаимодействия Льюиса в колориметрических химических сенсорных матрицах
В то время как кислотно-основные взаимодействия Бренстеда-Лоури чувствительны к широкому спектру соединений, кислотно-основные взаимодействия Льюиса включают в себя некоторые из наиболее чувствительных наборов межмолекулярных взаимодействий, имеющих отношение к колориметрическим химическим сенсорным массивам. Избирательность кислотно-основных взаимодействий Льюиса в химическом распознавании подчеркивается тем фактом, что самые резкие запахи возникают из оснований Льюиса (тиолы, фосфины, амины), а обонятельные рецепторы, содержащие катионы металлов, используемые для их восприятия при некоторых из самых низких концентраций всех молекулярных мотивов в биологии, используют рецепторы кислот Льюиса. Красители кислот Льюиса (а именно катионы металлов с открытым координационным сайтом) используются в биологическом обонянии для восприятия. Таким образом, кислоты Льюиса, такие как металлопорфирины, представляют особый интерес для исследователей, разрабатывающих колориметрический датчик, из-за их сильных кислотно-основных взаимодействий Льюиса.
Другие взаимодействия в матрицах колориметрических химических датчиков
Файл:Cyranose 320 Labelled.jpg
Было показано, что множество других обратимых молекулярных взаимодействий вызывают изменения цвета при взаимодействии с аналитами. К ним относятся окислительно-восстановительные активные хромо- и флуорофоры, которые претерпевают определенные изменения цвета при различных приложенных потенциалах. Также существует множество красителей, таких как мероцианин и азобензол, которые демонстрируют изменения цвета в зависимости от полярности их окружения. Механизм «тяни-толкай» электронной плотности через эти системы посредством межмолекулярных взаимодействий приводит к увеличению их дипольных моментов между основным и возбужденным состояниями, что проявляется в виде наблюдаемых изменений оптического перехода. Развитие наноматериалов позволило модифицировать поверхность некоторых красителей (особенно окислительно-восстановительных активных красителей), чтобы обеспечить высокую чувствительность из-за большего соотношения площади поверхности к объему, что приводит к большему количеству активных участков для взаимодействия аналита с красителями.
Изготовление матрицы колориметрических химических датчиков
В отличие от материалов, используемых в электронных химических сенсорных матрицах, в которых прямое взаимодействие между чувствительным материалом и аналитом приводит к передаче сигнала в виде изменения проводимости или напряжения, изготовление колориметрических сенсорных матриц требует учета как взаимодействия аналита с субстратом, так и передачи оптического сигнала. Один из методов изготовления колориметрических сенсорных матриц включает подготовку микросфер путем суспендирования красителей в инертной и прозрачной матрице. Затем эти микросферы включаются в волоконную оптику. Другие методы изготовления колориметрических сенсорных матриц включают печать массива флуоресцентных и колориметрических красителей (либо напрямую, либо в нанопористой матрице) на различных подложках, включая бумагу, силикагель или пористые полимерные мембраны.
Включение цифровой визуализации и/или освещения элементов массива оптических химических датчиков позволяет осуществлять быструю передачу сигнала в реальном времени колориметрических измерений данных в реальном времени колориметрических и флуоресцентных данных с микросферических или пластинчатых датчиков. Детекторы могут обрабатывать определенные длины волн света или использовать программы обработки изображений RGB для анализа данных, полученных с помощью прямого изображения массива датчиков. Подобно электронным химическим сенсорным матрицам, оптические химические сенсорные матрицы миниатюризируются с использованием методов микропроизводства для повышения применимости. Недавние достижения в области оптических химических сенсорных матриц привели к тому, что сенсорные матрицы напрямую интегрируются в планшетные сканеры и мобильную электронику, такую как смартфоны (через изготовление микропланшетов). Эти микропланшетные матрицы позволяют проводить колориметрический анализ сложных смесей в различных фазах с применением в идентификации токсичных промышленных химикатов с использованием перекрестно-реактивных нанопористых пигментов, диагностике рака с использованием массива золотых наночастиц и зеленых флуоресцентных белков, а также разработке и оценке комбинаторных библиотек комплексов металл-краситель как самих датчиков.
Другие типы массивов химических сенсоров
Хотя они и менее распространены, существуют две другие классификации устройств с продемонстрированной функциональностью в виде массивов химических датчиков. К ним относятся волновые устройства и электрохимические датчики.
Волновые устройства как массивы химических сенсоров
Существует несколько основных типов волновых устройств, включая акустические волновые устройства, резонаторы сдвиговой моды толщины (TSM) и кварцевые микровесы. Эти устройства колеблются на известных частотах, а их частоты колебаний модулируются изменениями массы устройства. Эти устройства могут быть модифицированы множеством материалов, которые уже обсуждались как полезные материалы в массиве химических датчиков. Все эти материалы отличаются широкой совместимостью их межмолекулярных взаимодействий, а также селективными взаимодействиями с различными соединениями, которые при совместном использовании позволяют обнаруживать отпечатки пальцев соединений в смесях.
Модификация волновых устройств с использованием таких материалов, как микрообработанные кантилеверы из оксида металла, покрытые полимерными пленками, позволяет улучшить обнаружение смесей летучих органических соединений, а также газообразного водорода и паров ртути. Устройства на объемных и поверхностных акустических волнах использовались в датчиках более высокого порядка, в которых чувствительный материал создает несколько режимов для передачи сигнала, таких как электрические и оптические; кроме того, те же волновые устройства также использовались для создания виртуальных массивов химических датчиков, в которых данные с одного компонента датчика подвергаются дальнейшей обработке. Массив химических датчиков из поверхностно-модифицированных кварцевых кристаллических микровесов с различными материалами, включая фталоцианин меди, одно- и многослойные углеродные нанотрубки, был показан как перспективный электронный нос для газового зондирования, когда для обработки данных использовались алгоритмы машинного обучения.
Электрохимические сенсорные матрицы
Другим классом устройств, используемых в матрицах химических датчиков, являются электроды. Обычно датчики на основе электрохимии называют электронными языками. Модификация поверхности электрода в многоэлектродной системе позволяет нацеливаться на специфические молекулярные взаимодействия. Полупроницаемые мембранные материалы позволяют превращать электроды в датчики благодаря их способности избирательно окислять или восстанавливать целевые аналиты. Одним из примеров является использование набора полупроницаемых мембранных датчиков, изготовленных из потенциометрических полимеров, таких как поливинилхлорид, которые продемонстрировали свою способность контролировать концентрации нитратов, нитритов и аммония в водном растворе. Были разработаны как вольтаметрические, так и потенциометрические методы, и этот метод является активной областью исследований не только для мультианалитного анализа водных растворов, таких как спинномозговая жидкость, но и для дифференциации окислительно-восстановительных продуктов в электрохимических реакциях.
Примеры массивов химических датчиков с реальным применением
Существует множество хорошо изученных и новых исследований, направленных на разработку массивов химических датчиков для различных приложений. Аналитические устройства, интегрированные с массивом химических датчиков, были предложены в качестве диагностических тестов на рак, бактериальные инфекции на основе анализа отпечатков пальцев выдыхаемого воздуха, а также для контроля качества продуктов питания и продукции. Вот несколько примеров: