Химические сенсоры

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Химический  факультет 

Кафедра физической химии и хроматографии 

ХИМИЧЕСКИЕ  СЕНСОРЫ

Реферат 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                            

Самара 2011

СОДЕРЖАНИЕ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ВВЕДЕНИЕ

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 .

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

2 ИСТОРИЯ  РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ

К настоящему времени разработано огромное количество самых разнообразных химических сенсоров. Началом истории химических сенсоров можно считать конец XIX – начало XX века.

Началом истории химических сенсоров можно  считать конец XIX – начало XX века. В это время появился прообраз катарометра (1880 г.), который использовался для определения содержания водорода в водяном паре; двухэлектродная ячейка Кольрауша (1885 г.), металлические электроды Нернста (1888 г.) и стеклянный электрод Кремера (1906 г.). В конце XIX - начале XX вв. под сенсорами (слово «сенсор» от английского слова sense – чувство, ощущение) понимали портативные устройства для определения химического состава среды. Типичная конструкция сенсора включала чувствительный элемент и преобразователь [4].

В то время  процедура стандартного химического  анализа представляла собой многостадийный процесс, основанный на химических реакциях. Таким образом, химический анализ был  тогда в полной мере «химическим». А уже в первых сенсорах использовались физические и физико-химические процессы.

Следующий этап в развитии химических сенсоров связан с появлением проточных методов  анализа. В 50-х годах XX в. аналитическое  приборостроение достигло такого уровня, что стало возможным создание проточных методов анализа. В 1952 г. Мартином и Джеймсом был предложен газовый хроматограф. Во всех случаях появилась острая необходимость в детекторах – приборах, которые позволили бы в автоматическом режиме определять концентрацию вещества в потоке газа или жидкости.

Следующим важным моментом в развитии сенсорного анализа можно считать предложение  Бергфелда объединить чувствительную мембрану с затвором полевого транзистора. Это предложение привело к  появлению ионоселективного полевого транзистора. Кроме того, появились перспективы того, что планарная технология, развитая в микроэлектронике, приведет к созданию и массовому производству дешевых сенсоров.

Миниатюрность и относительно небольшие размеры  сенсоров позволяет создавать их наборы в небольшом объеме. Так, на одном полупроводниковом кристалле можно разместить несколько чувствительных элементов или в небольшом объеме несколько самостоятельных сенсоров. Таким образом, появилась возможность создания «лаборатории на чипе», снабженной микропроцессором для обработки результатов анализа .  

3 УСТРОИЙСТВО  И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ХИМИЧЕСКИХ  СЕНСОРОВ

 Химические  сенсоры представляют собой датчики,  в которых два типа преобразователей  – химический и физический  – находятся в тесном контакте  между собой. 

Химический  преобразователь состоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент: он способен отражать присутствие определяемого компонента и изменение его содержания.

Физический  преобразователь – трансдьюсер – преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и/или электронного устройства.

Химические  сенсоры могут работать на принципах химических реакций и на физических принципах. В первом случае аналитический сигнал обусловлен химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя. Во втором случае измеряется физический параметр (коэффициент поглощения или отражения света, масса, проводимость и др.).

Для повышения  избирательности на входном устройстве перед химически чувствительным слоем размещаться мембраны, которые  селективно пропускают частицы определяемого  компонента (ионообменные, гидрофобные и другие пленки). При этом определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану к тонкому слою селективного слоя, в котором формируется аналитический сигнал на компонент.

На основе химических сенсоров разрабатываются сенсорные анализаторы, которые представляют собой приборы для определения какого-либо вещества в заданном диапазоне его концентраций. Заметим, что к химическим сенсорам относятся также биосенсоры.

В зависимости  от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:

• электрохимические (потенциометрические, кулонометрические  и др.);

• электрические (полупроводниковые на основе оксидов  металлов и др.);

• магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.);

• термометрические;

• оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);

• биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.);

• и  др.  
 

Общая схема функционирования химических сенсоров изображена на рис. 1. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Общая  схема функционирования химических сенсоров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 ЭЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ  СЕНСОРЫ

В электрохимическом  сенсоре определяемый компонент  реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода. Среди электрохимических сенсоров выделяют следующие:

– потенциометрические,

– амперометрические,

– кондуктометрические,

– кулонометрические.

Потенциометрические сенсоры основаны на ионоселективных электродах, которые дают селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул веществ в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал, который образуется на поверхности твердого материала, помещенного в раствор, содержащий ионы, которые могут обмениваться с поверхностью. Величина потенциала связана с количеством ионов в растворе. Измерить поверхностный потенциал непосредственно невозможно, однако его можно измерить, используя соответствующую электрохимическую ячейку. В этом и заключается суть потенциометрического метода.

Следует отметить, что для измерения потенциала ячейки необходим нулевой ток. Практически, такое условие недостижимо, поскольку  сам процесс измерения потенциала предполагает наличие небольшого тока. Но поскольку сила тока здесь находится в микроамперном диапазоне, то она незначительно искажает равновесный потенциал на поверхности. Таким образом, предположение о том, что потенциал измеряется по существу в условиях нулевого тока, достаточно корректно.

Существуют  различные виды ионоселективных  электродов. Их классификация основана на различии селективных химических реакций, приводящих к образованию  межфазного потенциала. Специфическое  распознавание потенциометрическим  химическим сенсором достигается благодаря химической реакции на поверхности сенсора. Таким образом, поверхность электрода должна содержать реагент, который химически и обратимо взаимодействует с аналитом. Это достигается благодаря использованию ионоселективных мембран, которые представляют собой поверхность сенсора. В потенциометрических сенсорах используются четыре типа мембран:

– Стеклянные мембраны. Такие мембраны селективны по отношению к таким ионам, как  Н⁺, Na⁺ и NH₄⁺.

– Мембраны из плохо растворимых неорганических солей. К мембранам этого типа относятся монокристаллические органической соли, например LaF₃, или диски из спрессованного порошка неорганической соли или смеси солей, например, Ag₂S/AgCl. Эти мембраны селективны по отношению к таким ионам, как F^-, S^2- и Сl^-.

– Полимерные мембраны с иммобилизованным ионофором. В этих мембранах ионоселективные  комплексообразующие соединения или  ионообменники иммобилизованы в  полимерной матрице, например, в поливинилхлоридной.

– Мембраны с иммобилизованными в геле или химически связанными с гелем ферментами. В мембранах этого типа используются высокоспецифичные реакции, катализируемые ферментами. Фермент содержится внутри матрицы или химически прививается на твердой поверхности.

Благодаря достижениям в области микроэлектроники были разработаны ионоселективные полевые транзисторы. Они представляет собой видоизмененный полевой транзистор с изолированным затвором.

Основная  часть ионоселективного полевого транзистора  – это полупроводник р-типа, в  котором есть два участка, которые представляют собой полупроводники n-типа, называемые, соответственно, истоком и стоком. На поверхность полупроводника наносится металлооксидный изолятор, на который затем вместо металла затвора полевого транзистора наносят ионоселективную мембрану. Сила тока, проходящего между истоком и стоком, определяется входным напряжением.

Исследуемый раствор с погруженным в него электродом сравнения контактирует с ионоселективной мембраной, что  приводит к возникновению на поверхности  мембраны потенциала, который является входным потенциалом, контролирующим силу тока между стоком и истоком. Сила тока зависит от мембранного потенциала, который, таким образом, зависит от активности определяемых ионов в исследуемом растворе. Такие устройства чрезвычайно малы (< 1 мм²) и широко используются для определения разнообразных веществ.