Химические датчики

Реферат

На протяжении едва ли не всей истории аналитической химии одна из самых важных ее задач состояла и состоит в том, чтобы устанавливать связи между составом и каким-либо легко измеряемым свойством и использовать выявленные закономерности, то есть эти связи, для разработки способов определения концентрации и соответствующих устройств. К этим устройствам относятся и датчики, или химические сенсоры, которые дают прямую информацию о химическом составе среды (раствора), в которую погружен датчик, без отбора анализируемой пробы и ее специальной подготовки. Термин «химический сенсор» появился сравнительно недавно. Успехи в смежных областях (физика твердого тела, микроэлектроника, микропроцессорная техника, материаловедение) привели к появлению нового направления в аналитической химии — химических сенсоров (ХС).

Сенсорные анализаторы могут работать автономно, без вмешательства оператора, причем предполагается, что они связаны с системами накопления и автоматизированной обработки информации. Значение ХС и созданных на их основе анализаторов в контроле состояния среды обитания и охране здоровья человека трудно переоценить.

90 лет назад, в 1922 году, Нобелевская премия по химии была присуждена чешскому ученому Ярославу Гейровскому за открытие полярографического метода. Этот знаменитый ученый обладал редкой способностью видеть корень проблемы и решать ее самым простым и логичным способом.

Коротко остановимся на основных принципах полярографического метода. В исследуемый раствор помещают два электрода — ртутный капающий и электрод сравнения (чаще всего донная ртуть).

Ртутный капающий электрод представляет собой стеклянный капилляр с внутренним диаметром от 0.1 до 0.05 мм, соединенный с резервуаром с ртутью. Все процессы на ртутном капающем электроде проходят на обновленной поверхности, благодаря этому достигается хорошая воспроизводимость результатов. Капли ртути капают с постоянной скоростью: капля на срезе постепенно растет и падает. Электрод сравнения — это электрод, потенциал которого не меняется при наложении напряжения. Поэтому размер капли очень мал, а электрод сравнения по площади намного его превышает. Кривые, показывающие зависимость тока от потенциала капающего электрода, называются полярограммами, или вольт-амперными кривыми.

Принципы работы и устройство химических сенсоров

ХС состоит из химического селективного слоя датчика, дающего отклик на присутствие определяемого компонента и изменение его содержания, и физического преобразователя (трансдьюсера).

7 стр., 3377 слов

Химия в профессии «Сварщик»

... химией и сваркой? Оказывается, самая непосредственная. При сварке в расплавленном металле происходят химические реакции, при сварке ... с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения ... уменьшилось по сравнению с нормой вследствие выгорания их при сварке. Для придания ... сварки происходит осаждающее раскисление при котором удаление кислорода из расплавленного металла капли ...

Последний преобразует энергию, возникающую в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал, который затем измеряется с помощью светочувствительного и / или электронного устройства. Этот сигнал и является аналитическим, поскольку дает прямую информацию о составе среды (раствора).

ХС могут работать на принципах химических реакций, когда аналитический сигнал возникает вследствие химического взаимодействия определяемого компонента с чувствительным слоем, или на физических принципах, когда измеряется физический параметр (поглощение или отражение света, масса, проводимость).

В первом случае чувствительный слой выполняет функцию химического преобразователя. Общая схема функционирования ХС изображена на рис. 1.

Для повышения избирательности на входном устройстве ХС (перед химически чувствительным слоем) могут размещаться мембраны, селективно пропускающие частицы определяемого компонента (ионообменные, диализные, гидрофобные и другие пленки).

В этом случае определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану к тонкому слою химического преобразователя, в котором формируется аналитический сигнал на компонент. На основе ХС конструируют сенсорные анализаторы — приборы, предназначенные для определения какого-либо вещества в заданном диапазоне его концентраций. Эти анализаторы могут иметь малые габариты (иногда приближающиеся к размерам калькулятора или авторучки).

Поскольку в их конструкции отсутствуют детали, претерпевающие механический износ, устройства характеризуются достаточно длительным сроком эксплуатации (до года и более).

Объединенные в батарею и подключенные к компьютеру, ХС способны обеспечить анализ сложных смесей и дать дифференцированную информацию о содержании каждого компонента. В сенсорных анализаторах встроенные микросхемы позволяют вводить поправки на изменение температуры, влажности, учитывать влияние других компонентов среды, проводить градуировку и настройку нулевого значения на шкале показаний.

Типы и конструкция химических сенсоров

В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое ХС, последние подразделяют на различные типы (рис. 2).

В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические ХС, и прежде всего амперометрические и потенциометрические, хотя наблюдается неослабный интерес исследователей и разработчиков к другим типам ХС, в том числе и оптическим. В электрохимических сенсорах (ЭХС) определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода. Например, для определения концентрации CO2 в воздухе используют кондуктометрические ХС. Их действие основано на измерении электропроводности водного раствора углекислоты, в котором, как правило, в результате ее диссоциации образуются ионы H+ и в количествах, зависящих от парциального давления CO2 в воздухе. Различие в электропроводности между холостым раствором (без CO2) и анализируемым фиксируется как аналитический сигнал. Селективность амперометрического сенсора определяется природой материала электрода, точнее, его поверхности, а следовательно, и величиной потенциала, при котором происходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента.

10 стр., 4624 слов

Воздействие на организм человека вредных веществ, содержащихся ...

... правило, подвергаются одновременному воздействию нескольких вредных веществ, в том числе и пыли. При этом их общее воздействие может быть взаимоусиленным, взаимоослабленным или независимым. На воздействие вредных веществ влияют также другие вредные и опасные ...

К сожалению, не все вещества электрохимически активны в доступной области потенциалов. Кроме того, многие вещества реагируют на электродах при крайне отрицательных или положительных потенциалах. При этом аналитический сигнал может быть искажен или плохо воспроизводим. Для уменьшения влияния этих факторов и повышения селективности отклика поверхность ХС модифицируют с помощью специальных соединений, которые осуществляют перенос электронов между электродом и определяемым компонентом при меньших потенциалах. Операция закрепления модификатора-переносчика на поверхности химического сенсора называется иммобилизацией. В ходе иммобилизации с помощью специальных реагентов модификатор либо вводят в пленку электропроводящего полимера, либо ковалентно, то есть с помощью химических связей, «пришивают» к собственно электроду-трансдьюсеру, либо удерживают на его поверхности за счет сил адсорбции. При этом модификатор перестает быть подвижным, не вымывается анализируемым раствором и может работать в потоке жидкости. Модификация электродов для сенсоров удлиняет срок их службы. Способы модификации электродов химическими реагентами для создания ХС подобны тем, которые используют в конструкциях биосенсоров (см.: Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 12).

Примером использования ХС на основе модифицированного электрода может служить задача определения диоксида азота NO2 в воздухе, то есть в присутствии O2 . На обычных электродах обе молекулы этих газов восстанавливаются при близких потенциалах — их совместное присутствие мешает раздельному определению. На модифицированном фталоцианиновым комплексом кобальта электроде восстановление NO2 происходит при невысоких потенциалах, при которых кислород «молчит». Генерируемый в ходе электродной реакции ток является аналитическим сигналом, который пропорционален концентрации NO2 в воздухе.

Разработаны конструкции амперометрических ХС для анализа газов, в которых исключено использование проводящих ток растворов электролитов. В них применяются так называемые твердые электролиты, представляющие собой твердые растворы оксидов некоторых металлов. Потенциометрические ХС основаны на так называемых ионоселективных электродах, дающих селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул веществ в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал. Эти ХС функционируют обратимо, и при измерении потенциала на электроде не нарушается электрохимическое равновесие электрод (ХС) — раствор, чего нельзя сказать об амперометрических ХС, отклик которых определяется электролизом, то есть потреблением вещества. Однако расход определяемого вещества за время проведения анализа (так называемого формирования отклика) настолько ничтожен, что не вызывает изменений концентрации определяемого компонента при повторных измерениях. Чувствительность отклика потенциометрических ХС, как правило, ниже амперометрических.

Среди ЭХС получили распространение миниатюрные устройства, основанные на полевых транзисторах. В них металлический контакт затвора транзистора заменен химически чувствительным слоем и электродом сравнения. В этом случае затвор представляет собой металлический слой, покрытый чувствительным материалом. Взаимодействие определяемого компонента с материалом затвора вызывает изменение электрического поля в области затвора и, следовательно, порогового потенциала и тока в транзисторе, что и обусловливает аналитический сигнал. Эти устройства чувствительны к некоторым газам, например: H2 , NH3 , CH4 , H2S, с пределом обнаружения до 10- 4-10- 5 %. Из последних достижений в конструировании ЭХС можно отметить создание с использованием планарной технологии микросенсорных батарей на основе принципа ионоселективного электрода для определения концентрации ионов водорода и калия в кровотоке работающего сердца. Такие устройства могут найти применение в медицине, в частности при хирургическом вмешательстве в области миокарда.

34 стр., 16577 слов

Автоматизация производства механизма выверки стабилизатора оптического ...

... «корпус». 2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ 2.1 Описание работы визира оптического устройства В военном деле визир - это приспособление или устройство для визуального наведения угломерного, дальномерного или наблюдательного ... 100 лет назад. На винтовки устанавливались телескопические прицелы, длинна которых иногда была больше длинны ствола. Телескопические прицелы представляли собой зрительную трубку с ...

Оптические ХС работают на принципах поглощения света, или отражения первичного светового потока, или возникающей люминесценции. Эти сенсоры выгодно отличаются от ЭХС тем, что нечувствительны к электромагнитным и радиационным полям и способны передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния. Кроме того, они имеют невысокую стоимость по сравнению с ЭХС и могут конкурировать с последними, особенно в случаях, когда применение ЭХС неэффективно. Из оптических ХС перспективны сенсоры на основе волоконной оптики.

Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах:

  • поглощения света (абсорбция);
  • отражения первичного (падающего) светового потока;
  • люминесценции.

При этом используются зависимости оптических свойств сред (коэффициентов преломления, отражения и др.) от концентраций определяемых веществ.

Оптические химические сенсоры имеют ряд преимуществ над другими химическими сенсорами: они нечувствительны к электромагнитным и радиационным полям, способны передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния и имеют невысокую стоимость. Из оптических химических сенсоров перспективны сенсоры на основе волоконной оптики.В волоконно-оптических сенсорах (ВОС) на торце световода закрепляется (иммобилизуется на каком-нибудь носителе) реагентсодержащая фаза (РСФ).

Характеристика материала световода определяет оптический диапазон и соответственно аналитические возможности всего устройства. Если оптическое волокно изготовлено из кварца, то такой ВОС работает в широкой области спектра, включая ультрафиолетовую его часть. Для стекловолокна область длин волн охватывает лишь видимую область спектра. Если оптоволокно изготовлено из полимерного материала (такие устройства имеют невысокую стоимость), то диапазон длин волн, в которой работает ВОС, находится за пределами более 450 нм.

Используют как одиночные оптические волокна, так и пучки из многих оптических волокон. Оптические волокна позволяют осуществить передачу оптических сигналов на очень большие расстояния и, следовательно, идеальны дня тех случаев, когда объект анализа удален от исследователя. Кроме того, их можно изогнуть (однако угол изгиба не должен быть слишком острым), а поэтому их можно использовать в самых разнообразных оптических светочувствительных устройствах, таких, как проточные ячейки для непрерывного мониторинга.

3 стр., 1299 слов

Оптические датчики

... и разъемное соединение. 4. Применение оптических датчиков Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления широко применяются для определения наличия и количества предметов, присутствия ... и.т.д. Фотодатчики могут излучать свет в инфракрасном, красном или зеленом цветовом диапазоне видимого спектра. Выходной управляющий сигнал датчика представляет собой логическое «да» ...

Оптосенсоры могут быть обратимыми и необратимыми. Сенсор обратим, если РСФ не разрушается при ее взаимодействии с определяемым веществом. Если часть реагента потребляется в ходе определения, сенсор работает необратимо. На рис. приведена схема формирования отклика обратимого ВОС для определения pH среды, основанного на поглощении света. Устройство такого сенсора является достаточно простым: два пластиковых волокна вмонтированы в целлюлозную трубочку, содержащую краситель фиолетовый красный, иммобилизованный с помощью ковалентного связывания на полиакриламидных микрошариках. Кроме этих микрошариков внутрь трубочки помещены такого же размера шарики из полистирола для лучшего рассеяния света. Через одно волокно свет от вольфрамового источника излучения входит, а через другое выходит. Интенсивность выходящего потока света измеряется детектором, настроенным на соответствующую область длин волн. Пробка на торце трубочки удерживает РСФ механически и препятствует ее взаимодействию с определяемым компонентом в торцевой части. Подобный ВОС может быть использован и для определения концентрации O2. В этом случае сигнал связан с тушением флуоресценции реагента при взаимодействии с кислородом. Такого типа ВОС могут быть использованы и для определения pH в живом организме.

Необратимые ВОС из-за расходования РСФ имеют ограниченный срок службы. Однако его можно продлить заменой РСФ на новую фазу. Стабильный сигнал от этих ВОС может быть получен лишь в условиях стационарного массопереноса определяемого компонента в зону его взаимодействия с РСФ. Любая помеха, нарушающая массоперенос, дает ошибку в показаниях ВОС. На рис. также показана схема работы необратимого ВОС на кислород. Определяемый компонент диффундирует через селективную мембрану с соответствующим размером пор в полость, содержащую иммобилизованный флуоресцирующий краситель. Его свечение гасится в присутствии O2 пропорционально парциальному давлению кислорода. Степень гашения фиксируется соответствующим устройством. Если резервуар с РСФ достаточно велик, то потребление реагента незначительно и сенсорное устройство может служить долго.