حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود

چکیده

عملکرد تجزیه ای خاص آرایه فراریز الکترودها (UMEA ها) باعث جلب توجه بسیار زیاد جامعه محققین شده و بنابراین توسعه انواع کاربردهای الکتروتجزیه ای حاصل شده است. این موضوع مشخص شده است که روشهای مبتنی بر UMEA در مقایسه با الکترودهای متداول موجود و تکنیکهای تجزیه ای استاندارد، ابزارهای تجزیه ای قدرتمند، ساده، سریع و کم هزینه ای برای آنالیز محیط زیست می‌باشند.

در این مبحث دیدگاههای مربوط به فرآیند های ساخت UMEA ها و تعیین خصوصیات و کاربرد آنها که بوسیله جامعه علمی ‌اسپانیا انجام شده، ارائه خواهد شد. همچنین، توضیح مختصری در مورد جنبه های تئوری وابسته به رفتار الکتروشیمیایی عرضه می‌گردد. سرانجام، کاربردهای این سکوهای مبدل در حوزه محیط زیست مورد بحث قرار می‌گیرند.

کلمات کلیدی: آرایه فراریز الکترود، ریز حسگر، ابزارهای تجزیه ای، بررسی محیط زیست

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست

۱- مقدمه

کشف خواص غیر معمول فراریز الکترودها (UME ها) در دهه ۱۹۷۰، با وجود عدم تنویر و تشریح آن، احتمالات جدیدی را در زمینه تجزیه فرآیندهای الکترودی فرا روی ما قرار داد. تغییرات در شرایط انتقال جرم، چگالی جریانهای بسیار بالایی را در UME ها ایجاد می‌کند،  در حالیکه خود جریانها بسیار کوچک می‌شوند (۱). یک دهه بعد، اولین بررسی جامع در خصوص جنبه های ویژه الکترودهایی که اصطلاحا تحت عنوان ریز ولتامتری شناخته می‌شدند، صورت گرفت (۲). از آن موقع به بعد، مفهوم UME در مقوله‌های مرتبط گسترش یافته است و این مفهوم می‌تواند با توجه به این نکته تعریف شود که تنها یکی از ابعاد خاص این الکترود، که به صورت هندسی ارائه می‌شود، باید در مرتبه چند میکرومتر باشد. چنین بعد حساسی، پاسخ الکتروشیمیایی را نسبت به یک الکترود متداول، متفاوت می‌سازد و احتمالات جدیدی را برای بررسی واکنشهای الکترودی، مشتمل بر اندازه‌گیریهای دینامیک در محلول با غلظت الکترولیت کم، در حلالهای غیر قطبی یا محیط های دارای رسانایی پایین و حتی در فاز جامد یا حالت گازی، در اختیار ما می‌گذارد (۳). علاوه بر این، استفاده از UME ها مقیاس زمانی برای انجام اندازه‌گیریها را تا چند مرتبه بزرگی افزایش می‌دهد و این امر برای بررسی واکنشهای همگن و غیر همگن سریع بسیار مفید است. 

در این تحقیق، دستگاههای مبتنی بر آرایه فراریز الکترودها (UMEAها) که توسط گروههای تحقیقاتی مختلف در اسپانیا برای شناسایی پارامترهای مختلف زیست محیطی مورد توجه قرار گرفته، تحت بررسی و مطالعه قرار گرفته اند. تحقیق ارائه شده به UMEA ها یعنی تعداد زیادی ازUME ها که بر روی یک سوبسترا ساخته شده و بصورت موازی به هم متصل شده اند، اشاره دارد و در نتیجه پاسخ الکتروشیمیایی آنها با توجه به مجموع پاسخهای الکتروشیمیایی
ریز الکترودهای منفرد با نسبت جداسازی / پهنا، عمق و شرایط زمانی مناسب مطابقت دارد. ملاحظات تئوری که تشریح کننده رفتار الکتروشیمیایی آنها و نیز فرآیند های ساخت و تعیین خصوصیات آنها می‌باشد، در اینجا خلاصه می‌شوند. علاوه بر این، چندین روش در زمینه شناسایی حساس و انتخابی گونه های شیمیایی، که عملکرد آنها وابسته به استفاده از نانو ذرات و یا بیومولکولها می‌باشد، نیز توصیف خواهند شد.

۲- ملاحظات تئوری

فراریزالکترود(UME) اصطلاحی است که برای توصیف ریزالکترودهایی که حداقل یکی از ابعاد آنها از ضخامت لایه نفوذی آنالیت هدف کوچکتر است، بکار برده می‌شود. هنگامی‌که این وضعیت ایجاد می‌شود، عملکرد ولتامتری الکترود به شدت افزایش می‌یابد که علل این افزایش بصورت زیر است: الف) اصلاح انتقال جرم به سمت مبدل (نفوذ شعاعی غالب است)، ب) کاهش ظرفیت لایه دوگانه و بنابراین افزایش زیاد نسبتهای جریان فارادی به جریان خازنی و ج) افت بسیار کم iR. فراریزالکترودهای دارای پیکربندی صفحه ای در محدوده ای از پیکربندیها، از دیسک ها تا نوارها، با استفاده از تکنولوژیهای ریز ساخت، تولید می‌شوند. با این وجود، چون این دستگاهها جریانهای بسیار کوچک را اندازه‌گیری می‌کنند، مجموعه ای از فراریز الکترودها به عنوان وسیله ای برای افزایش بزرگی جریان طراحی شده اند ضمن آنکه مزایای UME های منفرد که در بالا ذکر شد، نیز حفظ می‌شود. اصطلاح آرایه فراریزالکترود(UMEA) به دستگاهی اشاره دارد که بوسیله m
ریز الکترود یکسان تشکیل شده‌است. در واقع، این آرایه ها می‌بایست تقویت کننده جریان به میزانی برابر با m متناسب با یک ریزالکترود منفرد باشند (۷). در عمل برای بدست آوردن این تقویت سیگنال، باید چندین شرط وجود داشته باشد. یکی از این شرایط به چگالی بسته‌بندی
ریز الکترود مربوط می‌شود. این موضوع مورد ارزیابی قرار گرفته است که آرایه‌های ضعیف یا سست که در آنها فاصله بین الکترودها d>>2r می‌باشد (r شعاع یک ریز الکترود منفرد است) سبب حاصل آمدن سیگنال جریان مورد انتظار (با تقویت m برابر) می‌شود، در حالیکه آرایه های محکم که در آنها    می‌باشد به صورت ریز الکترودهایی رفتار می‌کنند که دارای جریان متناسب با مساحت هندسی کل ریز الکترودها در این آرایه می‌باشند. به عنوان مثال، بلمونت و همکارانش بیان کردند که فواصل جداسازی باید حداقل ۱۰ برابر قطر یک ریزالکترود منفرد باشد (۱۲).

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست

۳- فرآیندهای ساخت آرایه فراریزالکترود

آرایه های تصادفی و منظم فراریز الکترودها با استفاده از تکنولوژیهای مختلف طراحی و ساخته شده اند. فرآیندهای چاپ صفحه ای یا اسکرین به ساخت کم هزینه و تولید انبوه آرایه های
فراریز الکترود دیسکی منظم منجر شده اند. مجموعه های تصادفی (نامنظم) ریز دیسک های دارای اتصال موازی به هم، روش ساده و ارزان قیمت دیگری است که برای ساخت آرایه ها استفاده می‌شوند. روشهای UMEA دیگر مبتنی بر پخش نانو ذرات در سطوح الکترودی یا رسوب مواد الکترودی در داخل ساختارهای دارای تخلخل ریز می‌باشند (۲۷).

رویه ساخت بر اساس روشهای مبتنی بر UMEA در اسپانیا اخیراً توسط افرادی در مؤسسه میکروالکترونیکا در بارسلونا (CNM– IMB) انجام شده است. فرآیندهای مبتنی بر فوتولیتوگرافی برای ساخت UMEA های دارای پیکربندی صفحه ای، علیرغم نیاز به دستگاه گران قیمت و افراد آموزش دیده، عموماً‌در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، این تکنیک بسیار معتبر است زیرا UMEA دارای خصوصیات هندسی کاملاً کنترل شده می‌باشد که می‌توان آن را در مقابل برای بکارگیری در رویه‌های کوچک سازی و ساخت انبوه بکار برد (۳۰-۲۸). در این متن، طرحهای مختلف UMEA ها با تسهیلات اتاق تمیز مؤسسه CNM– IMB به مرحله ساخت رسیده است.

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست

۴- خصوصیات

فیلم‌های نازک UMEAها با پیکربندی مسطح که از تعداد زیادی از واحدهای دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی یکسان برخوردار می‌باشند، عموماً بوسیله تکنولوژی ریز الکترونی فلز/۲SiO/Si استاندارد ساخته می‌شوند (۵۳-۵۱ و۳۰و۲۹و۱۷). تعریف واحدهای ریز الکترود معمولاً بوسیله حک کاری لایه غیر فعال قرار گرفته بر روی لایه فلزی انجام می‌شود. در صورتیکه که این مرحله از کارایی کاملی برخوردار نباشد، جزء کوچکی از واحدهای الکترودی در داخل یک تراشه
غیر فعال باقی خواهد ماند. بنابراین، تعیین خصوصیات تجزیه ای کامل ابزارهای حاصله و تخمین کارایی ساخت مورد نیاز می‌باشد. به همین منظور، روشهایی که از تکنیکهای شبیه سازی (۳۷) و تکنیکهای الکتروشیمیایی کلاسیکی یعنی اسپکتروسکوپی امپدانس (مقاومت ظاهری) و ولتامتری چرخه ای (۵۴) شروع و به تکنیکهای سطحی نظیر میکروسکوپی الکتروشیمیایی پویشی (۲۴و۶) یا تکنیکهای تصویر میکروسکوپی (۳۷) ختم می‌شوند، همگی گزارش شده اند.

همانگونه که در معادله (۱) نشان داده شده است، رفتار و عملکرد الکتروشیمیایی UMEAها به هندسه، شعاع و فاصله بین الکترودی آنها بستگی دارد. تعیین خصوصیات بطور منظم با استفاده از تکنیکهای الکتروشیمیایی انجام می‌شوند اما بعضی از تحقیقات با امکانات موجود تکنیکهای محاسباتی به مدل‌بندی عملکرد UMEA ها اختصاص یافته است. علاوه بر این، تعیین خصوصیات یک الکترود کامل بر اساس کارایی ساخت و پاسخ تجزیه ای همراه با تکنیکهای الکتروشیمیایی و ابزارهای میکروسکوپی نوری توسط گروه ما نیز گزارش شده است(۳۵).

یک فرآیند شیمیایی/ الکتروشیمیایی اولیه مربوط به سطح ریز الکترود برای حذف آلودگی باقیمانده، بر مبنای آنچه توصیف شده است، و یا ناشی از پس فرآوریها و کار با تراشه ها می‌باشد، اعمال می‌شود (۴۱و۳۷و۳۵-۳۳و۱۰). در ابتدا، فرآیندهای فعال سازی ولتامتری چرخه ای به طور متوالی در محلول _۴SO₂MH1/0 ، در _۳ KNO M1/0، با سرعت پویش پتانسیل ^۱-V.S در یک محدوده پتانسیل مناسب انجام می‌گیرند و به دنبال آن ثبت سیگنالهای ولتامتری چرخه ای در محلول _۶(CN)Fe₄K mM1، در _۳KNO M1/0 ، صورت می‌گیرد. شکل منحنی ولتامتری در این محلول همراه با جریان ثبت شده می‌تواند برای تأیید حذف مؤثر آلودگی باقیمانده و عملکرد مناسب دستگاه UMEA  مفید باشد.

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست

۵- کاربرد در حوزه محیط زیست

ضرورت روزافزون بدست آوردن اطلاعات تجزیه ای بیشتر و بهتر تحت شرایط غیر متداول (یعنی در موقعیت یا نزدیک موقعیت ) در حوزه محیط زیست به توسعه کاربرد حسگرهای شیمیایی مختلف منجر شده است. از میان این حسگرها، UMEA ها و نیز ریز حسگرها به عنوان جایگزین قدرتمند و کم هزینه برای تکنیکهای تجزیه ای متداول عرضه شده اند.

حسگرهای مبتنی بر آرایه فرا ریز الکترود بررسی محیط زیست

۶- نتیجه گیری

بررسی عملکرد تجزیه ای UMEA و اینکه چگونه مزایای جذاب آنها در انواع روشهای زیست محیطی مفید واقع می‌شوند در اسپانیا انجام شده است. این بررسی شامل جنبه های تئوری و تجزیه‌ای مختلف مربوط به فرآیند های ساخت و تعیین خصوصیات UMEA نیز می‌باشد. این ابزارها دارای مزایای قدرتمند بودن، مقاومت ظاهری خروجی پایین، پاسخ سریع و تولید انبوه با هزینه مناسب می‌باشند. این مزایا، در تمام الکترودهای ریز ساخت ویژگیهای عمومی‌می‌باشند. مزایای دیگر نظیر اصلاح انتقال جرم به سمت مبدل در اثر نفوذ شعاعی، افزایش زیاد نسبتهای جریان فارادی به جریان ظرفیت و افت بسیار کم iR  به آرایه فراریز الکترودهای کاملاً منظم مربوط می‌شوند.

معمولاً تکرار پذیری، حساسیت بالا و حدود تشخیص پایین حاصل می‌شوند. UMEA ها علاوه بر اندازه کوچک خود برای کاربرد در میله های ردیاب کوچک و تکمیل سیستمهای جریان در تشخیص آنی (روی خط) ایده آل هستند و برای انجام اندازه‌گیریهای موقعیتی سریع و
کاربردوست بسیار مفید می‌باشند. بطور کلی، UMEA ها می‌توانند به عنوان ابزارهای با ارزش، قدرتمند، ساده، سریع و دارای هزینه مناسب در نظر گرفته شوند. نیازهای مربوط به کاربردهای تجزیه ای زیست محیطی را برآورده می‌سازند و می‌توانند جایگزین واقعی الکترودهای متداول تجاری موجود، دستگاههای گران قیمت و روشهای مختلف مستلزم صرف زمان که معمولاً در این حوزه بکار می‌روند، شوند.