ההשפעה של תפקוד פני השטח על ביצועים פולימרים מוליכים בחיישנים

מבוא לפולימרים מוליכים בטכנולוגיה של חיישן

מוליכים מייצגים מעמד ייחודי של חומרים אורגניים המציגים את מוליכות חשמלית המשויכת באופן מסורתי עם מתכות תוך שמירה על הגמישות, משקל נמוך, ויציבות התהליך של פולימרים קונבנציונליים.העלייה שלהם באפליקציות חיישן נובעת מהיכולת להתאים את התכונות הכימיות והאלקטרוניות שלהם באמצעות זיהוי כימי מורכב ופעולות לאחר עיבוד של חומרים משפטיים (חומרים פונקציונליים אורגניים), פולימרים מוליכים למחצה, יכולים להיות מופקדים מורכבים על תת-מוחשים גמישים, כולל דוגמאות פולימרים (גנטיות) ופוליניים (גנטיות) או חומרים מנוגדות) או חומרים מנוגדות (גנטיות) או מינרלים).

הבנה של Surface Functionalization

פונקציונליות פני השטח מתייחסת להחזקה מבוקרת של קבוצות כימיות, ביומולקולות, או מבנים ננומטריים על פני השטח של פולימר התנהגותי.המטרה העיקרית היא לשפר את האינטראקציה בין החיישן לבין ה- אנאליקה הרצויה תוך צמצום ההתערבות של מינים שאינם target.תפקוד פונקציונליות יכול לשנות את תפקוד העבודה של פולימר, רמות אנרגיה, פני השטח, ואת צפיפות נושא המטען - אשר משפיע ישירות על ידי אתרי חיישן אופטיקה, או על פני השטח, כלומר, יכול ליצור חלבונים ספציפיים של תאים של טיפול תרופתי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לאחר מכן, כלומר, לאחר מכן, כלומר, כלומר, לאחר מכן, לאחר מכן, כלומר, לחץ דם בשלב זה יכול לשנות את תפקוד של טיפול תרופתי, על פני השטח של טיפול תרופתי, לחץ דם בשלב זה יכול ליצור את תפקוד של טיפול תרופתי, על פני השטח של טיפול תרופתי, על פני השטח של טיפול תרופתי, על ידי תאים של טיפול תרופתי, על פני השטח של טיפול תרופתי, על ידי תאים ספציפיים של טיפול תרופתי, על ידי תאים ספציפיים של טיפול תרופתי, על פני השטח של טיפול תרופתי, או חומרים כימיים, יכול לשנות את תפקוד העבודה של טיפול תרופתי, על ידי טיפול תרופתי, יכול להיות מסוגל ליצור את תפקוד העבודה של טיפול תרופתי, או חומרים אופטי

טכניקות יעילות של

מגוון של שיטות פותחו כדי לשנות פני פולימרים מוליכים.כל טכניקה מציעה יתרונות נפרדים במונחים של שליטה, קנה מידה, והתאמה עם מערכות פולימרים שונות.

כימיקלים

גרטינג כימי כרוך בהחזקה קוהנדסית של מולקולות פונקציונליות ל-Ficbackbone.גישות נפוצות כוללות תגובות הפיכה באמצעות כימיה carbodiimide כדי לקשור קבוצות carboxyl או amine, או את ההקדמה של thiols עבור nanoparticle מתכת מעוגן. Grafting מניב יציבה, שינויים קבועים שלא להח במשך זמן, מה שהופך אותם מתאימים לטווח ארוך של פעילות חיישן.

טיפול פלאסמה

טיפול פלאסמה משתמש בגזים ionized (oxygen, חנקן, argon) כדי להפעיל את פני פולימר ולהציג קבוצות פונקציונליות כמו hydroxyl, פחמן, או מין amine.טכניקה זו יבשה, מהירה, ללא פתרון, אשר יתרון עבור בקנה מידה תעשייתי פלסמה, אלא אם כן פרמטרים פלזמה כגון כוח, זמן, ורכב גז יכול להיות מכוון לשלוט על צפיפות וסוג של קבוצות פונקציונליות אחד יכול להיות מיושם עוד כמה שבועות.

עצמי-Assembled Monolayers (SAMs)

מונותולים עצמיים מאגדים הם הורו שכבות מולקולריות שצורות באופן ספונטני על פני השטח עם זיקה חזקה בין קבוצת הראש של המולקולה לבין תת-המצע. עבור פולימרים מוליכים, SAMs לעתים קרובות מופקדים על סרטים פולימרים זהב-קוע באמצעות מולקולות מבוססות-דלקתיות.קבוצת הטרמינל של SAM יכולה להיות מיועדת להציג ligands ספציפיים, נוגדנים, או aptamers באופן כללי צריך חיישנים מדויקים על פני השטח.

אלקטרו-כימיקלי

פונקציונליות אלקטרוכימית מתייחסת לפוטנציאל של פולימר המוליכים בנוכחות מונומרים פונקציונליים או מינים תגובתיים. שיטה זו מאפשרת שליטה בזמן אמת על תהליך השינוי ויכולה להשתלב בזרימת ההבשלה של החיישן. לדוגמה, copolymerization של pyrrole עם נגזרות pyrrole לשאת carboxyl או קבוצות אמינו לייצר סרטים פונקציונליים עם תכונות אלקטרו-כימיקליות.

צילום: Photochemical andקרינה-Induced Grafting

אור אולטרה סגול או gamma קרינה יכול להתחיל תגובות מרתיע על פני כדור הארץ ללא כימיקלים קשים. Photoinitiators או קבוצות פוטואקטיביות משמשים כדי ליצור רדיקלים הקשורים ל-Ficial backbone. גישה זו מציעה שליטה מרחבית וזמנית, המאפשרת התאמה דפוס עבור מערךי חיישן.

מכניזם של שיפור ביצועים

פונקציונליות חיצונית משפרת את ביצועי החיישן באמצעות מספר מנגנונים משלימים.הבנת אלה מסייעת בעיצוב ממשקים מותאמים ליישומים ספציפיים.

שיפור הסלקטיביות

סלקטיביות היא היכולת של חיישן להבחין בין חומר מהפרעה חומרים.על ידי אי-החלל קולטנים ספציפיים (enzymes, נוגדנים, פולימרים מהופנטים מולקולריים) על פני כדור הארץ פולימרים המוליכים, החיישן יכול מעדיף באופן זמני לקשור את ה- pH המכריע של עניין.האירוע המחייב משנה את חלוקת המטען המקומית או התאמה של שרשרת פולימרים, שינוי מוליכותו, למשל, שימוש בחיישנים אלקטרו-מולידיים-מולידיים, אשר מסובייקטיסטים רבים.

שיפור רגישות

רגישות מתייחסת לשינוי בסימן הפלט לשינוי בריכוז אנאלי.תפקוד יכול להגדיל את מספר אתרי המחייבים הפעילים, ובכך להגביר את האות.הצגת ⁇ או ננו-מחדש המורמולוגיות באמצעות טיפולים פני השטח - כגון להפקיד חלקיקים זהב או צינורות פחמן - מייצרת ממשקי שטח גבוהים.

תגובה מהירה יותר ושיקום הזמנים

המהירות של תגובת חיישן תלויה ב diffusion אנאלית של אתרי הפעילה ואת הקינטיקה של המחייב או התגובה. Surface Functionization יכול להפחית מחסומים דיפוזיה על ידי יצירת משטחים הידרופיליים או טעון שמושך אנאליים ביעילות רבה יותר.בנוסף, קבוצות פונקציונליות שמשתפות תגובות חמצון מהירות (למשל, יחידות מפרצן) יכולות להגביר את העברת האלקטרון בחיישנים גז, פוליפרציה עם שניות יותר ממתכת.

יעילות וחידוש

שכבת פונקציונלית מעוצבת היטב יכולה להגן על פולימר הבסיסי מפני השפלה סביבתית (חמצן, לחות, אור UV) ולשפר את תוחלת החיים התפעולית של חיישן.לדוגמה, ציפוי פוליאנילין עם שכבה דקה של שקופית באמצעות פיזור פלזמה מפחית את הרגישות שלה כדי deprotonation בתנאים חומציים.תפקוד יכול גם להעביר פגמים משטח כי גורם אותות נדחים, המוביל לקריאה עקבית יותר על פני מחזורים.

יישומים ב-חיישנים שונים

היתרונות של פונקציונליות פני השטח הם הבינו על פני פלטפורמות חיישן מגוונות. להלן הם דוגמאות מפתח המאשר את ההשפעה בתחומים שונים.

חיישנים גז

חיישני גז מוליכים לזהות תרכובות אורגניות נדחות (VOCs), אמוניה, דו חמצני חנקן, ומימן sulfide.תפקוד משחק תפקיד מרכזי באפליה בין גזים עם תכונות כימיות דומות.לדוגמה, sulfonated זיהוי פוליאני - שבו קבוצות חומצה sulfonic הם ספוגים על גבי הפוליפוני האחורי - מראה רגישות גבוהה לתרופה כי אינטראקציה מנטרפת מאפשרת נוכחות פולינזירית של פולינזירית אחרת.

Biosensors

ביוסנסורים מסתמכים על ההכרה הספציפית של מולקולות ביולוגיות כגון גלוקוז, DNA, חלבונים או פתוגנים. Surfacefunctionization הוא הכרחי עבור אי-יציבות אלמנטים ביו-recognition. אחת אסטרטגיה נפוצה היא לחבר נוגדנים באופן שווה לסרט פולימרן מוליכי באמצעות התעמלות מוקדמת של פלטפורמות נוגדות חמצון והפרעות נוגדות חמצון אלה היו מוחלשות על ידי זיהוי גנטי ודימום.

חיישן לביש וגמישות

הגמישות המכנית של פולימרים מוליכים הופכת אותם אידיאליים עבור מכשירים לבישים שמפקחים על אותות פיזיולוגיים (sweat, קצב לב, טמפרטורה) Surfacefunctionization משמש כדי להקנות רגישות מסוימת למושגים (Na+, K+, K+, Ca2+) או metabolites (lactate, cortate, cortisol) בסועה, לדוגמה, סרטים פונקציונליים עם מחמברנות ion-מברנס יכול לעקוב אחר רמות כל הזמן יכול לכלול את הפונקציונליות חוזרות על ידי גירוי בתוך קבוצות דלקתיות.

pH וחיישנים הומוריסטיים

פולימרים מוליכים כמו פולינילין ופוליפידרול רגישים באופן מהותי ל- pH מכיוון שהתנהגותם תלויה בהסתברות / שכפול.תפקוד פני השטח יכול להרחיב את טווח זיהוי ה- pH או לשפר את היציבות בסביבות pH קיצוניות. Grafting sonulf קבוצות על פולינספורט עצמי כי נשאר מוליכים אפילו pH, המאפשר ניטור פיזיולוגי עבור חיישנים קיצוניים כגון מתחמיים כגון מתחמיים כגון מתחמיים סביבתיים (ת) הם שינויים פונקציונליים כגון מתחמיים כגון מתחמיים).

אתגרים בפונקציונליות חיצונית עבור חיישן פולימר מוליכים

למרות היתרונות ברורים, כמה מכשולים מעכבים את אימוץ נרחב של חיישני פולימרים פונקציונליים בהגדרות מסחריות ו קליניות.

יציבות קבוצות פונקציונליות

קבוצות פונקציונליות רבות הן רגישות הידרוליזה, חמצון, או השפלה תרמית לאורך זמן.לדוגמה, SAMs לטווח ארוך יכול חמצון באוויר, צמצום מספר האתרים המחייבים הפעילים.הפולימר עצמו עשוי לעבור dedoping או פיסול שרשרת בתנאי הפעלה, המוביל לאובדן של מוליכות וסימן אינטנסיביות.

אפשרות לחדור מעל באפי

טכניקות לשינוי פני השטח לעתים קרובות מניבות וריאציות בצפיפות קבוצתית פונקציונלית, עובי הסרט, או מורפולוגיה מ אצווה לטיפול פלזמה, למשל, רגיש לתנאי תאים, זרימת גז, ומיקום תת-קרקעי. variability כזו מובילה לביצועים חיישן בלתי עקביים וסיבוכים של התקנים calibration. התעשייה דורש פרוטוקולים סטנדרטיים, בקרת איכות, ואולי אוטומציה של שלבים פונקציונליים מסוימים הפכו בדיוק ל-microfluicials עבור כל אחד הפרמטרים של אבטחה.

סקלאלה ועלויות

שיטות פונקציונליות רבות כרוכות בצעדים כימיים רטובים מרובים, רגנטינים יקרים (אנטיbodies, aptamers), או ציוד מיוחד. Scaling ממעבדות אבטיפוס לייצור המוני נשאר מאתגר.דפסת טכניקות, כגון הדפסה של דיוג'ט של דיומרים פולימרים פונקציונליים, מציעים נתיב פוטנציאלי, אבל קבוצות פונקציונליות חייבות לשרוד את הדפוס והתהליכים היבשים.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

תחום הפונקציונליזציה של פני השטח עבור חיישני פולימרים מוליכים מתפתח במהירות.כמה מגמות מתעוררות שואפות להתגבר על המגבלות הנוכחיות ולפתוח יכולות חדשות.

קידוד NAcomposite Functionalization

שילוב פולימרים מוליכים עם ננו-חומרים (graphene, פחמן ננוtubes, ננו חלקיקים מתכת, MXenes) יוצר ממשקים היברידיים עם תכונות סינרגיסטיות. nanomaterial יכול להיות פונקציונלי לפני שילוב, המציע פונקציונליות כפולה.לדוגמה, חלקיקים זהב מעוטרים עם aptamers מוטבעים ב מטריקס פולינול, מתן שטח משופר ותגובה ספציפית יותר.

משטחים עצמיים

שילוב אג"ח דינמיות קוהנדסי או אינטראקציות העליונות לתוך השכבה הפונקציונלית מאפשר מעקב עצמי לאחר נזק מכני. A חיישן שרטט במהלך השימוש יכול לשחזר פונקציונליות פני השטח על ידי החזרת רשת פולימרים. החוקרים הוכיחו עצמם-healing סרטים פוליאניים באמצעות boronic esterlinks. התפתחות זו מבטיחה במיוחד עבור חיישנים כי חוזרים על עיוות.

עיצוב למידה-Assisted Design

בהתחשב במרחב הפרמטר העצום של יצירות פולימר, קבוצות פונקציונליות, תנאי מחיקה, למידת מכונה משמשת לחיזוי אסטרטגיות פונקציונליות אופטימליות.מודלים המוכשרים על נתונים ניסיוניים יכולים להציע כי קבוצה פונקציונלית תספק את הרגישות הגבוהה ביותר עבור אנאליט מסוים. גישה זו מאיצה את הגילוי של פולימרים פונקציונליים חדשים ומפחיתה את הצורך בניסויים ניסיוניים.

ביומטי ומולקולרי אימתק פולימרים

פולימרים מוטבעים מולקולרית (MIPs) הם קולטנים סינתטיים המחקים נוגדנים טבעיים.הם נוצרים על ידי פולימר התנהגות סביב מולקולה תבנית, אשר לאחר מכן הוסר, משאיר חללים עם צורה מסוימת, גודל, וקבוצת פונקציונלי משלימים קבוצה משלימה.משטח הדפסה (הודיעה MIP כמו סרט דק על פולימר התנהגות) משלבת סלקטיבית גבוהה עם קריאה חשמלית של חיידקי דם של חיישנים הוכחו על ידי חומרים מזינים, הוכחו על ידי חומרים ביולוגיים, הוכחו על ידי חומרים מזינים, הוכחו על ידי חומרים מזינים יותר, הוכחו על ידי חומרים כימיים, הוכחו, הוכחו על ידי חומרים כימיים, הוכחו על ידי חומרים כימיים נוספים, הוכחו על ידי חומרים כימיים, הוכחו על ידי חומרים כימיים נוספים, 000, 000, 000, הוכחו על ידי חומרים כימיים נוספים, הוכחו על ידי חומרים כימיים, 000, 000, 000, 000, הוכחו על ידי חומרים כימיים אלטרנטיביים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, הוכחו על ידי חומרים כימיים נוספים, 000, 000, 000, הוכחו על ידי חומרים כימיים נוספים, הוכחו על ידי חומרים כימיים נוספים, 000, 000, 000.

מסקנה

פונקציונליות פני השטח היא כלי טרנספורמטיבי בפיתוח של חיישנים פולימרים בעלי ביצועים גבוהים.על ידי תכנון רציונלי ממשק כימי, החוקרים יכולים להשיג הישגים יוצאי דופן בסלקטיביות, רגישות, זמן תגובה, ויציבות.טכניקות החל מטיפול כימיקלי מטבוליזם ופלסמה לפירוק אלקטרוכימי וטביעה מולקולרית לספק ערכת כלים מגוונת עבור התאמת תכונות למשככי כאבים ספציפיים, בעוד אתגרים, יעילות, וטכנולוגיות מעקב מתקדמות, הן יכולות מעקב וגמישות מתקדמות, כמו חומרים מתקדמים, כמו חומרים מתקדמים, מעקב.

לקריאה נוספת על כימאים פונקציונליים ספציפיים ויישומים החיישן שלהם, ראה ביקורות עדכניות על חיי פולימרים מוליכים (ראהים:0) sensors ו Actuators B: ChemicalFLT:1), טכניקות לשינוי פני השטח (FLT:2Chemical Society ReviewsFLT 3: 3), ו ביוסנסורים לבישים (Frea:4LT חומרים מתקדמים:5).