Аналитические сенсоры

Скачать

Общие сведения об аналитических сенсорах как о высокочувствительных приборах, предназначенных для автоматизированного определения химических веществ в промышленных и природных объектах. Характеристика электрохимических и микроэлектронных сенсоров.

Размер: 1,7 M
Тип: курсовая работа
Категория: Химия
Скачать

Другие файлы:

Микросистемные сенсоры температуры
В учебном пособии рассматриваются физические возможности измерения температуры, используемые в микросистемной технике (МСТ), и возможности их интеграл...

Математические основы теории систем управления
Рассматриваются аналитические, численно-аналитические и численные методы решения линейных ( с постоянной и нестационарной матрицей) и нелинейных уравн...

Микроэлектронные механические системы
Конструкции, назначение и основа микроэлектронных механических систем. Биочип - "лаборатория на кристалле". Сенсоры физических величин, химических эле...

Информационно аналитические системы
Информационные аналитические системы...

Сборник: Шахматное наследие Михаила Ботвинника
В сборник вошли:Ботвинник - 3 матча Анатолия Карпова (1975).djvuБотвинник - Аналитические и критические работы 1923-1941 (1984).djvuБотвинник - Аналит...


Краткое сожержание материала:

Размещено на

Курсовая работа

Аналитические сенсоры

Введение

аналитический сенсор химический

Что же такое аналитические сенсоры и для чего они нужны? С каждым годом эти вопросы будут звучать все абсурднее и абсурднее, так как эта область аналитической химии развивается огромными темпами. И уже занимает невероятно огромную нишу в этом разделе химии. Рассказать обо всем, конечно же, невозможно. Поэтому я попробую выделить основное.

Аналитические, или же химические, сенсоры - это миниатюрные, высокочувствительные, быстродействующие приборы, предназначенные для прямого селективного полностью автоматизированного определения химических веществ в промышленных и природных объектах[1]

Создание и разработка химических сенсоров нужны для достижения некоторых целей. В первую очередь заменить стандартные аналитические методы на сенсорные измерения. Во-вторых для измерения химических параметров, чтобы контролировать и управлять производственными процессами, так как требования к автоматизации производства растут.

Так же химические сенсоры важны для охраны окружающей среды. Например, чтобы определить pH воды - используют стеклянный электрод, а мутность воды - оптический сенсор. Или же загрязненную воду тяжелыми металлами можно постоянно контролировать с помощью сенсоров, а не каждый раз брать пробу и нести в лабораторию. Есть еще одна область использования сенсоров, а именно применение их для мониторинга in situ («на месте»). Например, в медицине, для определения глюкозы в крови по ближнему ИК-спектру. Или при операции на сердце необходимо измерять соотношения калия и натрия, так как это очень важный показатель состояния человека[2] Аналитические сенсоры - это большая область аналитической химии, без которой уже никак не обойтись в современном мире. Эти устройства позволяют осуществлять контроль, отличаются быстродействием, надежностью, дешевизной и простотой в эксплуатации.

1. Общие сведения об аналитических сенсорах

Перед тем как более подробно разобрать отдельные химические сенсоры, надо вкратце рассмотреть общее строение и принцип работы сенсоров.

Вообще, все сенсоры можно разделить на три типа:

1. Физические сенсоры - предназначены для определения физических величин (температуры, давления и т.д.);

2. Химические сенсоры - устройства, способные непрерывно определять концентрацию химических составляющих в жидкостях или газах и превращать эту информацию в режиме реального времени в электрический или оптический сигнал;[2]

3. Биосенсоры - практически тоже самое, что и химические сенсоры, но отличаются лишь тем, что концентрация определяемого вещества измеряется в них с помощью материала биологической природы.

Все эти устройства (кроме физических сенсоров) должны соединяться с трансдьюсером. А что такое трансдьюсер? Это часть сенсорного устройства, которая отвечает за преобразование химического или электрического отклика сенсора в сигнал, который можно наблюдать визуально (перемещение стрелки или изменение цифровых показаний). В аналитической химии чаще всего применяют оптический трансдьюсер (в спектроскопических и колориметрических методах анализа). С появлением волоконной оптики, оптические трансдьюсеры стали использовать гораздо чаще, так как они стали более миниатюрными. Они могут быть основаны на применении спектроскопии поглощения, флуоресцентной спектроскопии, люминисцентной спектроскопии, спектроскопии внутреннего отражения, поверхностного плазмонного резонанса и светорассеяния[3]

Так же в любом сенсоре основным компонентом является распознающий элемент. Именно он позволяет сенсору избирательно реагировать на один или несколько аналитов (определяемые сенсором вещества) среди множества других веществ. Для определения отдельных ионов существуют ионоселективные электроды, в которых имеется мембрана, определяющая ту самую избирательность. В биосенсорах в качестве распознающего элемента используют ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты и рецепторы[3]

Общее устройство сенсора показано на рисунке 1.

Рис.1. Схема химического сенсора

Однако распознающий элемент так или иначе должен быть соединен с трансдьюсером. Распознающий элемент прикрепляется к трансдьюсеру (иммобилизирует) с помощью ряда специальных методов:

a) адсорбция на поверхности трансдьюсера;

b) микрокапсулирование, т.е. распознающий элемент заключают между двумя мембранами;

c) включение распознающего элемента в матрицу геля, пасты или полимера;

d) ковалентное связывание, т.е. образование химических связей между распознающим элементом и трансдьюсером;

e) сшивка - метод, при котором для соединения трансдьюсера и распознающего элемента применяют бифункциональные реагенты[2],[3]

Все химические сенсоры и биосенсоры обладают одними аналитическими характеристиками:

а) Селективность. Это наиболее важная характеристика сенсора, указывающая на его способность отличать одно вещество от других. Селективность определяется, главным образом, распознающим элементом сенсора, хотя в ряде случаев на нее влияют и характеристики трансдьюсера.

б) Чувствительность. Как правило, чувствительность сенсора должна быть ниже 1 мМ, но в отдельных случаях она может достигать нескольких фемтомолей (10-15 М).

в) Точность. Должна превышать 5 %.

г) Природа раствора. Характеристики сенсора могут меняться в зависимости от pH, температуры и ионной силы раствора.

д) Время отклика. Обычно у биосенсоров время отклика составляет более 30 секунд, что значительно больше, чем у химических сенсоров.

е) Время регенерации. Это время, необходимое для возврата сенсора в исходное состояние, когда его вновь можно использовать для измерения. Оно не должно быть больше нескольких минут.

ж) Срок эксплуатации сенсора обычно определяется стабильностью распознающего элемента. В случае биосенсоров он может составлять от нескольких дней до месяцев[3]

Теперь, после короткого рассмотрения принципа работы аналитических сенсоров, можно перейти к более детальному анализу отдельных видов химических и биологических сенсоров.

2. Электрохимические и микроэлектронные сенсоры

Потенциометрические сенсоры

Электроды со стеклянной мембраной

Потенциометрические сенсоры лучше всего представлены pH стеклянным электродом, который служит для измерения концентрации водорода. Высокая селективность электрода по отношению к ионам водорода в широком диапазоне концентраций обусловлена особыми свойствами тонкой стеклянной мембраны. В зависимости от состава стекла мембрана может приобретать новые свойства. Таким образом получают стеклянные электроды селективные в отношении других ионов. В рН - электроде обычно используют стекло, состоящее из 22 % Na2O, 6 % СаО и 72 % SiO2. Селективность в отношении ионов Н+ обусловлена их участием в реакции обмена с ионами натрия:

SiO-Na+ + H+ = SiO-H+ + Na+

Типичный комбинированный рН-электрод показан на рисунке 2. Внешний электрод сравнения завит вокруг центральной стеклянной трубки, внутри которой расположен внутренний электрод сравнения. Контакт последнего с испытуемым раствором происходит через небольшой стеклянный припой. В комбинированном pH- электроде используются два хлоридсеребряных электрода.

Рис.2. Схема комбинированного pH-электрода

Имеются стеклянные ионоселективные электроды для измерения концентраций Na+, Li+, K+ и Ag+[3]

Твердотельный газовый сенсор

С повышением температуры, твердые тела проявляют проводимость, т.к. имеют в наличии ионы. Это свойство используют для создания газового сенсора. Особенно важны твердотельные электроды с проводимостью за счет оксидных ионов. Эти электроды являются редокс-электродами. Обычно материалом служит ZrO2 (легированный СаО или Yb2O3) в кристаллической решетке которого имеются катионные вакансии, что и объясняет ионную проводимость.

Твердотельные электролитные сенсоры из ZrO2 подходят для определения кислорода в выхлопных газах или для контроля металлургических процессов, где нужно определять кислород в расплавленном железе при температуре свыше 1000°С. Ионы O2-, которые образуются в результате окислительно-восстановительной реакции, перемещаются в вакансии, вызывая смещение последних. Для измерений в расплавленном железе, твердотельный электролит вводят в контакт с помощью платинового электрода, а результирующий потенциал измеряют вторым металлическим электродом в расплавленном железе (Рис.3.). При определении О2 в газах твердотельный электролит внедряют в пористый платиновый электрод и измеряют электродный потенциал относительно сигнала сравнения. Обычно в качестве среды для сравнения используют воздух[1],[2]

Твердотельные электроды

На рисунке представлена общая схема твердотельного электрода. Обычно такие электроды используют вместе с отдельным электродом сравнения, который помещают в испытуемый раствор. Твердую мембрану изготавливают либо из монокристаллического вещества (например, из LaF3 в случае фторид-селективного электрода), либо из поликристаллического порошкообразного вещества (например, из AgS в случае сульфид-селективного электрода).

Монокристалл LaF3, используют для изготовления фторид-селективных электродов. Эти электроды широко применяют на водооч...