English   Hebrew  
автор лого - Климентий Левков Дом ученых и специалистов Реховота
(основан в июле 1991 года)
 
 
В Доме ученых и специалистов:
----------------
 
 
 
Дом ученых и специалистов Реховота

 

апрель, 2012 г.


Химические сенсоры
( К докладу на семинаре в ин-те им. Х. Вейцмана 28.3.12)

 

доктор Юлия Систер, Израиль

 

Химические сенсоры (датчики) - чувствительные миниатюрные устройства, реагирующие на изменение содержания химического компонента в анализируемой смеси веществ. Ими могут быть, например, ртутный капающий электрод или стационарный в электрохимической ячейке и др. Химические сенсоры являются основными составными частями аналитических приборов, в том числе концентратомеров, для определения различных веществ: кислорода, оксидов азота, аммиака, углекислого газа, глюкозы и многих других.

 

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.

 


Полярограмма (вольт-амперная кривая)
E1/2 - потенциал полуволны;
H - высота полярографической волны



Схема полярографической установки: 1 - электролизёр
(полярографическая ячейка, на дне донная ртуть как электрод
сравнения); 2 - сосуд с ртутью; 3 - гальванометр; 4 - передвижной
контакт; 5 - реохорд; 6 - аккумулятор (источник постоянного тока),
используется ртутный капающий электрод.

 

Когда в растворе присутствуют вещества, способные восстанавливаться или окисляться на ртутном капающем электроде в определенной области потенциалов, наблюдается увеличение тока и на полярограммах наблюдаются т.н. полярографические волны. Их можно охарактеризовать двумя величинами. 1 - потенциал полуволны (значение тока равно половине предельного значения). Это качественная характеристика исследуемого вещества, с ее помощью мы отвечаем на вопрос, какое вещество присутствует в растворе. Например, для ионов кадмия Е1/2 = -0.6 В, цинка = -1.2 В. 2 - высота полярографической волны (Н) в точке, в которой ток достигает предельного значения. Это количественная характеристика отвечает на вопрос, сколько исследуемого вещества содержится в растворе (какая его концентрация). Полярография - ценный метод качественного и количественного анализа.

 

До Я. Гейровского были попытки изучения подобных кривых с использованием твердых электродов. Но их поверхность менялась в процессе электролиза и полученные данные плохо воспроизводились и не подходили для теоретической обработки. Использование предложенного Гейровским ртутного капающего электрода для исследования процесса электролиза позволило избежать этих недостатков. Электролитический процесс, прерванный падением предыдущей капли ртути, практически не влияет на полученные данные. Ученый отметил и другие преимущества такого электрода, в частности высокий водородный потенциал, что позволяет расширить исследования в сторону более отрицательных потенциалов.

 

Для правильной интерпретации вольт-амперной кривой необходимо, чтобы процессом, лимитирующим скорость электролиза, была диффузия анализируемого электроактивного вещества к электроду. В полярографии движение определяемых ионов сводится к минимуму за счет добавления большого избытка (50-100-кратного) индифферентного электролита, называемого фоном. Поскольку концентрация определяемого электроактивного вещества мала по сравнению с концентрацией фона, то практически весь ток определяется движением ионов фона.

 

Постепенное повышение напряжения приводит к возрастанию плотности тока на микроэлектроде. При этом концентрация электроактивного вещества в приэлектродном пространстве становится меньше его концентрации в основной массе раствора, так как скорость его восстановления (или окисления) на микроэлектроде становится больше скорости диффузии его из раствора. В этом случае дальнейшее повышение разности потенциалов не вызывает заметного возрастания силы тока, протекающего через раствор (предельный ток).

Приборы для полярографического анализа называются полярографами. Современные полярографы - сложные регистрирующие приборы, обеспечивающие высокую точность определений (погрешность 1-2%). Если в растворе присутствует несколько восстанавливающихся веществ, то полярограмма имеет вид многоступенчатой кривой. В этом случае значения потенциалов полуволн и силы тока соответствуют величинам, полученным для растворов индивидуальных соединений с той же концентрацией определяемого вещества.

 

То, о чем шла речь выше, относится к методу классической полярогорафии. Шло время, метод развивался, появились новые разновидности полярографии: переменнотоковая, на второй гармонике переменного тока, радиочастотная и другие новые ее направления, которые позволили значительно увеличить чувствительность и разрешающую способность метода, получать сигналы в виде пиков, что удобнее для обработки данных и т.д.

 

На протяжении едва ли не всей истории аналитической химии одна из ее самых важных задач состояла и состоит в том, чтобы установить связь между составом и каким-либо измеряемым свойством и использовать выявленные закономерности для определения состава и концентрации исследуемых растворов (качественный и количественный анализ). Как уже сказано, это делается при помощи определенных датчиков, или химических сенсоров, которые дают прямую информацию о химическом составе среды, в которую погружен датчик, причем часто без специальной подготовки анализируемой пробы.

Термин химический сенсор появился относительно недавно. Успехи в области физики твердого тела, микроэлектроники, материаловедения и привели к появлению нового направления в аналитической химии - химических сенсоров. Их значение и созданных на их основе анализаторов в контроле состояния окружающей среды и охране здоровья человека трудно переоценить.

В литературе есть указания, что химические сенсоры - это общее название, в него входят и биосенсоры.

Что определяют при помощи модифицированных химических сенсоров: диоксид азота в присутствии кислорода, проводят анализ газов (водорода, аммиака, сероводорода и др.) до 10 в минус пятой степени процента. Существуют ионселективные электроды для определения ионов водорода и калия в кровотоке работающего сердца. Этот список можно продолжить.

Любой химический сенсор состоит из двух компонентов:

 

1 - собственно блок, где происходит химическая реакция;

2 - преобразователь (трансдьюсер).

 

Химические сенсоры делят на ряд групп в зависимости от типа преобразователя. Электрохимические сенсоры: потенциометрические, вольтамперометрические. Выше приведен пример электрохимического сенсора.

 

Оптические сенсоры. Спектроскопическое определение в оптических сенсорах связано с химической реакцией. В настоящее время оптические сенсоры называют также оптодатчиками. В зависимости от типов оптических сенсоров в них измеряют поглощение, отражение света или люминесценцию. В отдельную группу часто выделяют биосенсоры, то есть устройства, позволяющие контролировать биологически активные компоненты на основе высокоселективных биохимических реакций. В этом виде сенсоров чаще всего применяют электрохимические и оптические трансдьюсеры.

Из оптических химических сенсоров перспективны сенсоры на основе волоконной оптики (определение кислорода, рН в живом организме).

апрель, 2012 г.    



Обсудить на форуме

 

Страница 1 из 1
ГлавнаяДневник мероприятийПлан на текущий месяц
copyright © rehes.org
Перепечатка информации возможна только при наличии согласия администратора и активной ссылки на источник! Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.