Химические сенсоры, область применения, принцип работы

СЕНСОРЫ ХИМИЧЕСКИЕ (от лат. sensus - чувство, ощущение), чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие аналит. сигнал, зависящий от концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси. Неотъемлемой частью сенсора химического является преобразователь энергии хим., биохим. или физ. процессов, лежащих в основе определения, в электрич. сигнал. Последний передается в соответствующее электронное устройство для дальнейшей обработки.

Сенсоры химические предназначены для прямого определения конкретного хим. в-ва в заданном диапазоне содержаний при фиксир. способах введения пробы и обработки полученной информации. Они могут входить в состав аналит. приборов (или др. анализирующих или контролирующих систем), включающих также устройство для ввода пробы, обработки сигнала и выдачи сведений о концентрации определяемого компонента. Для повышения избирательности определения на входе иногда размещают селективные мембраны. Достоинства таких приборов: малые размеры (ок. 100x60x20 мм) и масса (100-200 г), небольшая потребляемая мощность, способность работы в автоматич. автономном и, часто, непрерывном режиме.

По принципу работы и в зависимости от вида аналит. сигнала иногда выделяют электрохимические (потенцио-метрич., вольтамперометрич., кулонометрич., кондуктомет-рич.), оптические (фотометрич., люминесцентные, оптотер-мич.), электрические сенсоры, а также сенсоры, чувствительные к изменению массы и нек-рые др.

В основу работы электрохимических сенсоров положены превращения определяемого компонента в миниатюрной электрохим. ячейке, к-рая генерирует аналит. сигнал. Используют инертные, химически активные или модифицированные, а также ионоселективные электроды, в т. ч. на основе халькогенидных стекол; электролиты м. б. жидкими (р-ры H₂SO₄) или твердыми (ZrO₂, A1₂O₃, CsHSO₄ и др.). Такие сенсоры химические характеризуются высокой избирательностью, чувствительностью, возможностью определения хим. компонентов в относительно широком диапазоне содержаний, быстродействием. Они применяются для определения оксидов азота, углерода и серы, а также гидразина, фосфина, кислорода, метана и др. в-в.

Оптич. сенсоры основаны на измерении поглощения или отражения первичного светового потока, люминесценции или теплового эффекта при поглощении света. Такие сенсоры химические имеют чувствительный слой, роль к-рого может выполнять пов-сть волокна световода или иммобилизованная на световоде фаза, содержащая подходящий реагент. Волоконно-оптич. световоды на основе кварца, германатных, фторид-ных, халькогенидных стекол, кристаллов галогенидов таллия, серебра или цезия и полимерных материалов позволяют работать в ИК, видимой и УФ диапазонах спектра. Созданы оптические сенсоры химические для определения рН р-ров, ионов К⁺ и Na⁺, CO₂, О₂, глюкозы и др. в-в.

К электрическим сенсорам химическим относятся полупроводники с электронной проводимостью на основе оксидов металлов (Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, V, W и др.), орг. полупроводники (напр., фталоцианины) и полевые транзисторы. Измеряемыми величинами являются проводимость, разность потенциалов, заряд или емкость, изменяющиеся при воздействии определяемого в-ва. Наиб. перспективны полевые транзисторы, в к-рых металлич. контакт затвора (управляющего электрода) заменен химически чувствительным слоем (напр., из Pd или Pt) и электродом сравнения. Взаимод. определяемого компонента с материалом слоя вызывает изменение электрич. поля в области затвора и, следовательно, порогового напряжения и тока в транзисторе. Применение т. наз. ионочувствительных покрытий (напр., валиномицина) позволяет получать ионоселективные полевые транзисторы. Для пром. произ-ва полупроводниковых сенсоров химических применяют планарную технологию, что обеспечивает создание микромодулей, включающих чувствит. элементы, систему тер-мостатирования и усилитель электрич. сигнала. Главные преимущества сенсоров на основе полевых транзисторов: малые габариты (пов-сть 1-2 мм²) и масса, быстродействие (время, необходимое для анализа, 1-10 с), возможность определения сразу неск. компонентов анализируемой смеси. Электрич. сенсоры применяют, в частности, для определения ионов К⁺, О₂, оксидов азота, H₂S, СО, Н₂, углеводородов с пределами обнаружения 10^-4-10^-5% по объему.

Действие сенсоров, чувствительных к изменению массы, основано на изменении частоты колебаний пьезорезона-торов или скорости распространения поверхностно-акустических волн при селективной сорбции определяемого в-ва соотв. на электродах или на межэлектродных пов-стях. Сорбционными покрытиями служат Аи, Ag, полимеры, орг. соединения (амины, карбоновые к-ты и их соли), разнообразные фазы, используемые в хроматографии. Такие сенсоры химические применяют для определения SO₂, Hg, NH₃ и нек-рых фосфорорг. соединений.

Разновидностью сенсоров химических являются биосенсоры. Они представляют собой комбинир. устройство, состоящее из биохимически или биологически активного компонента (биокомпонента) и электронного преобразователя. В качестве биокомпонента нашли применение ферменты, антитела, антигены, микроорганизмы, биол. мембраны, а в качестве преобразователя-электроды, полевые транзисторы, тер-мисторы и др. Осн. область применения биосенсоров-анализ разл. жидких объектов в медицине, биотехнологии, пищ. и хим. пром-сти. Недостатки биосенсоров: невысокая стабильность, трудность получения биоорг. материалов постоянного состава, чувствительность к действию высоких и низких т-р, бактерицидных загрязнений и др.

Сенсоры химические и приборы на их основе широко используют, напр., в энергетике, робототехнике, транспорте, медицине, с. х-ве, быту, при решении экологич. проблем. Применение сенсоров химических открывает новые возможности для диагностики материалов и контроля технол. процессов.

Поиск по сайту: