Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ІЧ-оптичні сенсори. Визначення газів за допомогою оптичних сенсорів.

В даних сенсорах використовують ближню та середню ІЧ. Характеристичні поглинання лежать в області 650-2000…3000нм.

Блок схема ІЧ сенсора для повітря:

→комірка з входом та виходом

джерело→фільтр →детектор (ΔА=Аетпр)

→еталонна комірка (враховується вплив фону)

Селективність обумовлюється λ, не дуже чутливі (на рівні ГДК).

ІЧ сенсори:

- малі

- портативні

- відразу формується сигнал на екрані (тобто малий час відгуку)

- є ГГ

- недорогі (200-500$)

- є візуальна та світлова сигналізація

- вічний (якщо використовувати квантові точки)

 

Застосування: визначення СО2, СН4, О2, О2 робочої зони.

СН2О: 0-8 мг/м3, МВ=0,5 мг/м3

Ще можна визначати бутан та інші вуглеводні, СО, оксиди азоту та сірки.

Отже, ІЧ сенсори ще використовують для домашньої та промислової безпеки, для контролю якості повітря, аналізу нафтопродуктів.

У медичних цілях використовують оксимер для визначення О2 в крові. Для цього він одягається на палець. Вимірюється різниця поглинання для пар Hb-О2 та Hb-deoxy (де Hb-О2 – гемоглобін, який зв’язаний з киснем; Hb-deoxy – незв’язаний) – отримуємо синусоїду. У ІЧ тканини не поглинають, тому не заважають визначенню. Коштує оксимер 150-400$, t=5-20с, це дистанційний сенсор без руйнування проби.

ІЧ сенсори (фірма Xenics) застосовують для контролю автомобілів, нічного бачення, автоматичного керування освітленням, в охоронній сигналізації, у науці.

12. Області застосування оптичних сенсорів. див. пит.. #6

13. Типи електрохімічних сенсорів.

В електрохімічному сенсорі визначаючий компонент реагує з чутливим шаром безпосередньо на електроді або в об’ємі шару розчину навколо електроду. Серед електрохімічних сенсорів виділяють наступні:

 

- Потенціометричні,

- Амперометричні,

- Кондуктометричні,

- Кулонометрическом.

 

Вимірюється потенціал комірки, при нульовому струмі, потенціал пропорційний логарифму концентрації визначуваної речовини.

Потенціометричні сенсори базуються на використанні іоноселективних електродів, які дають селективний відгук на присутність визначуваних іонів або молекул речовин в розчинах. Аналітичним сигналом у них є потенціал, який утворюється на поверхні твердого матеріалу, вміщеного в розчин, що містить іони, які можуть обмінюватися з поверхнею. Величина потенціалу пов'язана з кількістю іонів у розчині.

Існують різні види іоноселективних електродів. Специфічне розпізнавання потенціометричним хімічним сенсором досягається завдяки хімічній реакції на поверхні сенсора. Таким чином, поверхня електрода повинна містити реагент, який хімічно та оборотно взаємодіє з аналітом. Це досягається завдяки використанню іоноселективних мембран, які є поверхнею сенсора. В потенціометричних сенсорах використовуються чотири типи мембран:

- Скляні мембрани - селективні по відношенню до Н +, Na + і NH4

- Мембрани з важко розчинних неорганічних солей - LaF3, або диски з спресованого порошку неорганічної солі або суміші солей, наприклад, Ag2S/AgCl. Ці мембрани селективні до таких іонів F-, S2-і Сl-.

- Полімерні мембрани з іммобілізованим іонофором. У цих мембранах іоноселективні комплексоутворюючі сполуки чи йонообмінники іммобілізовані в полімерній матриці.

- Мембрани з іммобілізованими в гелі або хімічно зв'язаними з гелем ферментами. У мембранах цього типу використовуються високоспецифічні реакції, що каталізуються ферментами. Фермент міститься всередині матриці або хімічно прищеплюється на твердій поверхні

Досліджуваний розчин із зануреним в нього електродом порівняння контактує з іоноселективною мембраною, що призводить до виникнення на поверхні мембрани потенціалу. Сила струму залежить від мембранного потенціалу, який, таким чином, залежить від активності визначуваних іонів в досліджуваному розчині.

 

Дія амперометричних електрохімічних сенсорів ґрунтується на вимірюванні сили струму при певному потенціалі окислення чи відновлення, який характерний для даної речовини.

Струм, що проходить крізь комірку вимірюють і за його величиною визначають концентрацію визначуваної речовини.

Наприклад, для вимірювання концентрації розчиненого у воді кисню використовують кисневий амперометричний датчик. У датчику є золотий або платиновий катод, відділений від срібного анода пластиковою оболонкою. Газопроникна мембрана розташовується на зовнішній стороні нижньої поверхні електрода і пропускає всередину молекули невеликого розміру. При зануренні датчика в досліджуваний зразок води молекули кисню дифундують в тонку плівку електроліту, що контактує з електродами. На катоді підтримують потенціал -800 мВ відносно срібного анода, і молекулярний кисень відновлюється у відповідності з рівнянням:

O2 + 2H+ +2e−= H2O2

Селективність амперометричних хімічних сенсорів визначається головним чином природою матеріалу поверхні електрода, а, отже, і величиною потенціалу, при якому відбуваються електрохімічні реакції за участю аналізованого компоненту

Для підвищення селективності відгуку поверхню хімічних сенсорів модифікують за допомогою іммобілізації сполук, які здійснюють переніс електронів між електродом і визначаючим компонентом. При цьому модифікатор перестає бути рухомим, не вимивається аналізованим розчином і може працювати в потоці рідини.

Чутливість амперометричних електрохімічних сенсорів, як правило, вища потенціометричних.

Кондуктометричні сенсори. Їх дія грунтується на вимірюванні електропровідності розчинів.

При хімічній реакції змінюється склад розчину, отже при цьому змінюється електропровідність, що може бути кількісно обчислено

Такі електрохімічні сенсори використовують, зокрема, для визначення концентрації CO2 в повітрі. Різниця в електропровідності між «холостим» розчином (без CO2) і аналізованим (з CO2) фіксується як аналітичний сигнал.

Кулонометричні сенсори. Вимірюється кількість електрики необхідної для електролізу електроактивної речовини.

 

14. Електроди, що застосовуються в електрохімічних сенсорах. Макроелектроди, мікроелектроди, планарні електроди (screen-printed; pin-printed), польові транзистори.

У якості індикаторних мікроелектродів використовують стаціонарні та ті, що обертаються - металічні (Hg, Ag, Au, Pt), капаючі електроди (з Ртуті, амальгама) - капіляри, з яких витікає рідина.

Мікроелектрод - дуже тонка скляна піпетка, заповнена електролітом. Використовується у електрофізіології. Розробка мікроелектродних методів дозволила вести електрофізіологічні досліди на рівні окремих клітин. Діаметр кінчика скляного мікроелектрода близько 0,5 мм, а інколи менше 0,1 мкм.

Існує три основних способа використання мікроелектродів:

· Для внутріклітинної реєстрації електричних параметрів клітинних мембран.

· Для поляризації клітинних мембран електричним струмом.

· Для введення різноманітних речовин всередину клітини(іонофорез) або подачі їх на її поверхню(аплікація).

Польовий транзистор — напівпровідниковий пристрій, переважно із трьома виводами, в якому сила струму, що протікає між двома електродами (витоком і стоком) регулюється напругою, прикладеною до третього електрода (затвора). Струм в транзисторі протікає через канал, який утворений легованою областю напівпровідника, розташованою між підкладкою і затвором. До канала під'єднані два електроди — витік, що є джерелом носіїв заряду й стік, до якого носії заряду стікаються. Контакти між витоком та стоком і каналом робляться омічними. Cеред різновидів польових транзисторів можна виділити два основні класи: польові транзистори із затвором у виді p-n переходу та польові транзистори із затвором, який ізольований від робочого напівпровідникового об'єму діелектриком. Прилади цього класу часто також називають МДН транзисторами (від словосполучення метал - діелектрик - напівпровідник) та МОН транзисторами (від словосполучення метал - оксид - напівпровідник), оскільки в якості діелектрика найчастіше використовуєтьсядіоксид кремнію. В свою чергу транзистори з ізольованим каналом поділяються на транзистори з вбудованим каналом та індукованим каналом.Також польові транзистори підрозділяються на транзистори з каналом провідності n-типу або p-типу.

Особливу увагу серед «одноразових» електродів сьогодні викликають планарні (screen-printed) електроди, котрі надруковані на полімерних або керамічних плівках за допомогою струменевих принтерів, а до складу фарби входять частинки вуглецевовмісних матеріалів, Срібла і т д. При чому склад чорнила і визначає властивості електрода. Такі електроди мають низьку вартість, їх легко виготовити у масових масштабах. За допомогою «screen-printing» технології на одній смужці плівки разом з індикаторним електродом можна виготовити і електрод порівняння, варто лише додати, наприклад AgCl. Можна надрукувати одразу декілька електродів та використовувати як одноразові. Оскільки відтворюваність надрукованих малюнків велика, то і властивості відтворюються достатньо добре.

 

1- смужка із срібла; 2 - індикаторний електрод; 3 - електрод порівняння; 4 - підкладка.

 

Створення мікроелектродів та комірок дозволяє проводити аналіз у дуже маленьких об’ємах, а також проводити аналіз in vivo, наприклад в окремій клітині.

 

15. Потенціометричні хімічні сенсори. Типи мембран, характеристики активних компонентів мембран, області застосування. Іон-селективні польові транзистори. Переваги і недоліки.

До потенціометричних сенсорів відносять: іон селективні електроди (ІСЕ), металеві дротинки та іон селективні польові транзистори (ІСПТ). Аналітичним сигналом є потенціал, яки утворюється на межі поділу фаз та підпорядковуються р-нню Нернста (коли у р-ні потенціал визначаючі іони) або Нікольського (коли у р-ні є іони, що вплив на пот сенсора):

Найпростішим варіантом слугує срібна дротинка, яка поміщена у розчин з іонами срібла.

Класифікаця ІСЕ ґрунтується на різниці селективних хімічних реакцій, котрі призводять до утворення між фазного потенціалу. Вибіркове розпізнавання потенціометричним хімічним сенсором досягається завдяки хім.. реакції на поверхні сенсора. Це досягається завдяки використанню ІС мембран.

У потенціометричних хімічних сенсорах використовують 4 типи мембран:

v Скляні мембрани. Чутливий елемент - дуже тонка скляна мембрана, селективність якої визначається складом скла. селективні по відношенню до таких іонів як H+ (рН-метри),сенсори для виз-ння конц розчинених газів(наприклад Аміаку викор електроди зі скляними мембранами рН-метри, пот скляного електроду визн рН роз-ном NH4Cl: NH3+H2O=NH4++OH- ; Відгук повільний через дифузію газу через газопрон. мембрану)

v Мембрани із погано розчинних неорганічних солей: монокристалічні соли (LaF3) або диски із спресованого порошку неорганічної солі або суміші солей Ag2S/AgCl. Такі мембрани селективні по відношенню до таких іонів як F-, S2-, Cl-. Сюдиди ж відносять

v Полімерні мембрани з іммобілізованим іонофором: іон селективні компексоутворюючі сполуки або іонообмінники іммобілізовані у полімерній матриці, ПВХ. Органічні рідкі мембрани повинні відповідати наступним основним вимогам:Не змішувати з водою; Повинні мати низьку леткість;Оборотньо реагувати з визначуваними іонами; Мінімальна електропровідність. До складу усіх сенсорних мембран входить розчинений реагент, який селективно взаємодіє з визначуваним іоном наз іонофором. Приклад: К+ з валіноміцилом(розмір порожнини); У ТКЕ полімерна мембрана нанесена на поверхню тв субстрату. У якості субстрату слугує Pt дротинка, ще Ag, Cu. Собівартість не велика, низька вартість.

v Мембрани з іммобілізованими в гелі або хімічно зв’язані з гелем ферментами: у таких випадках використовуються високо специфічні реакції, у яких каталізаторами виступають ферменти. Фермент поміщають всередину матриці або хімічно прививають на тверду поверхню. Наприклад: CO(NH2)2 +H2O → CO32- + 2NH4+

v ІСПТ- це видозмінений польовий транзистор з ізольованим затвором. Вони є дуже компактними (< 1 мм2). Основна його частина - це напівпровідник р - типу, у якому є дві ділянки - исток (І) та сток (С). На поверхню напівпровідника наносять металічнй ізолятор, на який наносять іон селективну мембрану.

Переваги: компактність, відносно шв відгук, автоматизація, відносна дешевизна, селективність, чутливість, кількісний аналіз.

16. Амперометричні хімічні сенсори. Способи модифікування електродів в амперметричних сенсорах, області застосування. Переваги і недоліки.

Принцип дії:Вимірюється сила струму при постійній напрузі на електродах, яка є аналітичним сигналом і прямо пропорційно пов’язана з концентрацією визначуваної речовини.

Рівняння Ільковича:I=kc=605 z D1/2 m 2/3 t1/6 c,де І-сила струму, k-константа, с-концентрація

Селективність АС визначається природою матеріалу поверхні електрода, тому і величиною потенціалу, при якому відбуваються електрохімічні реакції з участю аналізованого компоненту. Чутливість амперометричних вище потенціометричних. Для підвищення селективності відгуку поверхню хімічних сенсорів модифікують за допомогою спеціальних сполук. Медіатори покращують стабільність та селективність в-ння.

Способи закріплення медіатора на поверхні:

Адсорбція реагенту на поверхні електроду;

Хімічне зв’язування з утворенням ковалентних зв’язків;

Включення в полімерну або неорганічну плівку ;

Вміщення в пасту з графітових матеріалів;

Електрохімічний синтез на поверхні електроду;

Вакуумне напилення мікрочастинок металу на провідну підкладку).

Амперометричні сенсри поділяються на:

1.Біосенсори(для визначення глюкози, холестерину, аспірину). Каталітичне ок-ння глюкози Глюкооксидазою (ГОД) до глюконової кислоти:

Глюкоза +ГОДокислена = Гл к-та + ГОДвідновлена

ГОДвідновлена + О2 +2Н+= ГОДокислена 2О2

про к-сть глюкози судять по зменшенню к-ті О2 в р-ні після ок-ння. Це досягається імобілізацією на поверхню газопроникної мембрани датчика (тонкий шар) ГОД.

З використанням фероцену р-ція іде без участі О2 тобто позбутись пероксиду, який має близький потенціал ок-ння як у глюкози.

2. Газові (визначення кисню, хлору, СО та N2O)

3. Імуноферментні (для визначення фенольних сполук, бактеріальних антигенів).

Характеристики електродів:

Чутливість Середня ≈ 10-7 М
Відтворюваність результатів Хороша Sr=0.15 при визначенні етанолу
Швидкість відгуку Достатня висока – декілька секунд
Селективність Висока
Термін дії Декілька місяців
Розмір Портативні
Собівартість Залежить від призначення

 

Електрод Кларка

Електрод Кларка застосовують для визначення розчиненого кисню. Реакція відбувається на Pt електроді, який виступає катодом (відновлення кисню): О2+4е-+4Н+→2Н2О. Аноді являє собою спіраль із срібної дротини. Електроди покриті захисною плівкою, яка сорбує заважаючи гази (H2S).

Переваги електроду:

Селективний

Довготривалий (періодична зміна мембрани);

Конц О2 :0,1…20 мг/л

Час відгуку 1 хв

Основні складові електроду: електрод порівняння, робочий електрод, електроліт та селективна мембрана.

Аналогічні сенсори існують на Cl2, Cr(VI), O3 у воді (Для контролю води у басейні, селективність обумовлена певним потенціалом). Вольтамперометричні аналізатори (визначають Cd, Pb, Cu, Zn у воді, повітрі, грунтах). Проблема - періодична чистка електродів.

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-11

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...