Термобіосенсор

1 Термобіосенсор, що містить пластинку, на робочу поверхню якої послідовно нанесені термоізоляційний шар, плівка термоелектричного матеріалу, захисна плівка і біохімічна матриця, який відрізняється тим, що плівка термоелектричного матеріалу виконана на основі твердого електроліту, а в зоні одного із електродів нанесена смуга шару матеріалу з анізотропною подовжньою теплопровідністю, на другому кінці якої розташована біохімічна матриця. 2. Термобіосенсор за п.1, який відрізняється тим, що твердий електроліт має склад і_аі_іТЮз або В-АІ2ОЗ. 3. Термобіосенсор за пп.1, 2, який відрізняється тим, що плівка термоелектричного матеріалу має звуження в центральній частині. Корисна модель відноситься до області електроніки та може бути використана у приладобудуванні, малій енергетиці та джерелах живлення, для вимірювання температури, теплових потоків, перетворення різниці температур в електричну енергію, в біомедичних дослідженнях. Відомі пристрої подібного призначення [Хіе В., Ramanathan К, Danielsson В. // Advances in Biomedical Engineering 1999. 64. P.1-33, Turner, A.P F Preface Biosensors. Fundamentals and Applications Oxford: Oxford Univ. Press. 1989 P.312, A. Wolf, R. Huettl, G. Wolf // J. of Thermal Analysis and Calonmetry. 2000 61 P 37-44, Патент США №4111117, МКИ H01L35/32 від. 05.09.1978р.], які складаються з платівки, нанесених на неї термоізоляційного, оксидованого та термочутливого шарів та двох електродів, де в якості термочутливого шару використовуються плівки різнорідних матеріалів, карбіду кремнію, оксидів кобальту, марганцю, нікелю, ВіТе - BiSb Перелічені матеріали мають низьку чутливість до теплових параметрів, коефіцієнт термоерс не перевищує ЮОмкВ/град в області низьких температур О...1ОО°С, коефіцієнт корисної дії термогенераторів менш 4%. Крім того, при біохімічній реакції між речовиною - медіатором та аналізуємою речовиною виділяються речовини, які руйнують ці матеріали, до складу яких входять легко летючі компоненти, такі як телур та сурьма Modelling for a thermaf flow sensorrr [[ Gas Proceedings, V.2, 1997. - p.511-514], який складається з платівки, нанесених на неї термоізоляційного та термочутливого шарів, 50 термоелементів та двох електродів, де термоелементи виконані з різнорідних матеріалів. Біохімічний елемент знаходиться на поверхні термочутливого шару. До недоліків прототипу відносяться обмежена чутливість до теплових параметрів, що не дозволяє вимірювати їх з високою точністю порядку 10"3оС. Це обумовлено тим, що кількість теплоти, яка виділяється при біохімічній реакції незначна 10.. 50кДж, що призводить до необхідності визна3 4 чення температури 10" ...10" °С. Таке значення температури повинно перевищувати теплові шуми термоелектричного генератора Але у випадку застосування різнорідних матеріалів - класичне рішення термоелектричних генераторів, власні теплові шуми, дробові шуми на переходах між різнорідними матеріалами значно перевищують сигнал Крім того, в такій конструкції біохімічні реакції протікають на робочій поверхні сенсора, що потребує використання захисних шарів для робочих та контактних систем, які не забезпечують тривалий строк використання виробу. Це, в свою чергу, обмежує використання таких сенсорів для визначення концентрації різноманітних речовин, особливо токсичних, а також далі знижує к термочутливість та швидкодію В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення термобіосенсора шляхом використання в якості термочутливого шару плівки твердого електроліту, наприклад, І.аІ_іТіОз або Р-АІ2Оз, які Найбільш близьким по технічній суті є термобіосенсор на основі елементів Пельтьє, виготовлених з застосуванням напівпровідникових матеріалів [Dan S. Popescu, Bogdan Mihalea Design and (О CD 6116 мають конфігурацію з звуженням в центральній частині, та розташуванням біохімічної матриці на поверхні смуги шару з анізотропною подовжною теплопровідністю, яка миттєво переносить тепловий потік до області поруч з одним з електродів, наприклад, за допомогою алмазоподібної плівки, що забезпечує досягнення технічного результату: підвищення термочутливості, точності виміру, високу швидкодію, стійкість до впливу токсичних та агресивних середовищ, розширення діапазону аналізуємих речовин Поставлена задача вирішується тим, що в термобіосенсорі, що містить платівку, на робочу поверхню якої послідовно нанесені термоізоляційний шар, плівка термоелектричного матеріалу, захисна плівка, біохімічна матриця, новим є те, що плівка термоелектричного матеріалу виконана на основі твердого електроліту, а в області одного із електродів нанесена смуга шару матеріалу з анізотропною подовжною теплопровідністю, на другому кінці якої розташована біохімічна матриця; твердий електроліт має склад, наприклад, 1_ап'ТіОз або Р-АІгОз, плівка термоелектричного матеріалу має конфігурацію Із звуженням в центральній частині. На кресленні приведена схема конструкції термобіосенсора. Термобіосенсор включає платівку - 1, на яку нанесено плівку термоізоляційного шару - 2, плівку термоелектричного матеріалу - 3, шари електродів - 4, область біля одного з електродів - 5, на яку нанесена смуга шару матеріалу з анізотропною подовжною теплопровідністю - 6. На другому кінці смуги цього шару розташована біохімічна матриця - 7. Термобіосенсор виготовляють слідуючим способом. Після хімічної' обробки напівпровідникової платівки чи іншого діелектричного матеріалу на робочу сторону шляхом вакуумного напилення наносять плівку термоізоляційного матеріалу, наприклад, нітриду алюмінію На поверхню термоізоляційного шару наносять методом "спалаху" плівку твердого електроліту через маску, яка формує конфігурацію термочутливого шару при температурі платівки 18О...200°С. Для формування Комп'ютерна верстка Н, Лисенко контактів до термочутливого шару методом вакуумного напилення, наприклад, електроннопроменевого випарування, наносять через маски шари металів, титану та нікелю. Далі на область біля одного з електродів напиляють смугу шару матеріалу з анізотропною подовжною теплопровідністю, наприклад, алмазоподібну плівку, осаджену з плазми ВЧ - розряду (13,56МГц) при низькому тиску 13,3-16,4Па та температурі до ЗООК в газовій суміші метану з воднем та азотом. Методом ультразвукового зварювання або пайки приєднують електричні виводи до контактів. На другому кінці алмазоподібної плівки, яка розташована перпендикулярно до плівки термоелектричного матеріалу, формують біохімічну матрицю Принцип роботи термобіосенсора слідуючий. При взаємодії аналізуємо1! речовини з відповідною біохімічною матрицею - 7 утворюється тепло, яке миттєво за допомогою алмазоподібної плівки 6 переноситься до області - 5 твердого електроліту - 3. Завдяки створенню різниці температур в плівці твердого електроліту - 3 виникає термоерс, що проявляється в появі напруги на кінцях електродів - 4. Звуження плівки твердого електроліту в центральній частині зменшує в 7-9 разів перенос теплового потоку від одного електроду до іншого, що приводить до підвищення вихідного електричного сигналу. Плівка твердого електроліту має підвищену термоелектрорушійну силу завдяки суперіонній провідності. Завдяки термоізоляційному шару вплив платівки на перенос тепла усунений, тому значно підвищується швидкодія сенсору. Вище перелічені фактори дозволили збільшити чутливість термобіосенсору в 9-12 разів, забезпечити швидкодію менш 0,1с, розширити діапазон речовин (мікотоксини, глюкоза, сечовина, іони тяжких металів, пестициди, міоглобін та багато інших). До недоліків прототипу відносяться обмежена чутливість до теплових параметрів, що не дозволяє вимірювати їх з високою точністю, порядку 10"7Моль/л. Це обумовлено тим, що кількість теплоти, яка виділяється при біохімічній реакції незначна 10. .50кДж, що призводить до необхідності визначення температури 10"3...10"4°С, що забезпечується запропонованою корисною моделлю. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ-42, 01601