Диссертация (Химические сенсоры и мультисенсорные системы на основе порфиринов и гетерокраун-эфиров), страница 5

Преобразователь сигнала как16таковой не является избирательным, в то время как рецептор может имбыть.Рис. I.3 Схематическое представление сенсорной системы [13].I.3Основные понятия и определения. Классификация сенсоровСенсорымогутбытьклассифицированыпохарактерувзаимодействия с аналитом, или, другими словами, в соответствии ссенсорным принципом рецептора [6,8], которые в свою очередь могут бытьсгруппированы по форме энергии генерируемого сигнала. Наиболеераспространенныевсенсористикеформыэнергиибыликлассифицированы Лайоном [14] и перечислены ниже:• механическая;• тепловая;• электрическая;• магнитная;• световая (энергия излучения);• химическая/биологическая.Соответственно, измеряемые посредством сенсоров величины, могут бытьследующими:• длина, площадь, объем, акустическая плотность, и т.д.

.;• температура, энтропия, состояние вещества , и т.д. .;• заряд, ток, напряжение, плотность электрического поля и пр.;• напряженность магнитного поля, магнитный момент , и т.д. .;• интенсивность изучения, показатель преломления, коэффициентотражения, интенсивность поглощения, длина волны, поляризация,и т.д. .;• химические и биологические величины, такие как: концентрацияионов, ферментов или антител, состав, окислительновосстановительный потенциал, скорость реакции , рН и т.д.Классификация сенсоров по типу передачи сигнала (методутрансдукции преобразовательного элемента) была предложена Гёпелем иколлегами [15], и приведена в Табл. I.1.

Однако в данной классификацииестьнекоторыесложностиинтерпретации.Так,например,пьезоэлектрическое устройство, которое преобразует электрическуюэнергию в механическую, и может рассматриваться как датчик поопределению, обычно называют выходным преобразователем илиактюатором, а не сенсором. Соответственно, функционирование17конкретного устройства в качестве “сенсора” или “актюатора” определяетсяцелью применения. При этом очевидно, что понимание природы ипринципов процесса, вовлеченного в сенсорный анализ, чрезвычайноважно для выбора наиболее подходящих сенсорных конструкций иматериалов.Рецепторы, применяемые в химических сенсорах, в соответствии сприродой взаимодействия с аналитом можно разделить на три основныегруппы [9]:• химические: при их использовании химическая отклик с участиеманалита приводит к аналитическому сигналу;• физические: химической реакции не происходит.

Типичнымипримерами являются сенсоры, основанные на измеренииоптическойплотности,коэффициентапреломления,электропроводности, температуры или изменения массы;• биохимические: биохимический процесс является источникоманалитического сигнала. Типичными примерами являютсямикробные потенциометрические датчики или иммуносенсоры.Такиедатчикиназываютсябиосенсорами,ичасторассматриваются как подгруппа химических сенсоров.Однако в сенсористике встречаются ситуации, когда сложно однозначноопределить по какому принципу, химическому или физическому, работаетданный датчик.

Примером могут служить сенсоры, отклик которыхобусловлен процессами адсорбции.Основные общепринятые характеристики сенсоров приведены ниже[3,5,8,16].I.3.1Статические характеристикиПередаточная функция - выведенное в виде графика, таблицы,математического выражения идеальное (теоретическое) соотношениемежду входным и выходным сигналом сенсора.Диапазон измеряемых значений (FS – full scale) - динамический диапазонвнешних воздействий, который может воспринять датчикДиапазон выходных значений (FSO) - алгебраическая разность междувыходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальномвнешнем воздействии.Линейность определяется близостью градуировочной кривой сенсора ктеоретической передаточной функции и может быть выражена в процентахот FSO.Чувствительность сенсора определяется крутизной (наклоном)передаточной функции отображающей отклик данного сенсора наизменение измеряемого компонента (свойства).

Чувствительность сенсорапостоянна в диапазоне линейного отклика сенсора, Рис. I.4A.18Разрешение является наименьшим приращением выходного сигнала,измеренным в процентах от FSO .Гистерезис – это разность значений выходного сигнала для одного и тогоже входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании, Рис. I.4B.Предел обнаружения (порог чувствительности) представляет собойнаименьшее значение измеряемой величины, которое может бытьобнаружено с помощью сенсора.Воспроизводимость это способность сенсора при соблюденииодинаковых условий выдавать идентичные результаты.Нулевой выходной сигнал – величина отклика сенсора при измерениинулевой измеряемой величины.Нулевой сдвиг (дрейф) - это изменение нулевого выходного сигнала приопределенных условиях (например, изменении температуры, длительногохранения, старение и т.д. ).Сдвиг(дрейф)чувствительностиопределяетсянаклономградуировочной кривой при определенных условиях.Время отклика это интервал времени, необходимый для достижениясенсором определенного процентного значения от конечного выходногосигнала (в результате пошагового изменения измеряемой величины) .Селективность сенсора означает полное подавление посторонних помехпри его функционировании.

Идеальный сенсор должен реагировать толькона изменения определенной измеряемой величины и его отклик не зависитот концентрации любого примесного иона, содержащегося в растворе,кроме того иона, относительно которого сенсор обладает селективностью.Однако на практике большинство сенсоров откликаются на изменениеболее, чем одного параметра (например, на изменение концентрацииподобных по свойствам аналитов, изменение температуры и т.д.).Проблемы недостаточной чувствительности и отсутствие идеальноселективных сенсоров могут быть скорректированы посредствоммультисенсорного подхода и хемометрических методов анализа, как этобудет обсуждаться позже .Срок службы - это продолжительность времени, когда сенсор остаетсячувствительным при нормальных условиях эксплуатацииДолговечность - это свойство сенсора сохранять работоспособноесостояние до наступления предельного состояния, при котором он неспособен выполнять все или одну из своих функций, или не обеспечиватьвыполнение каких-либо параметров в заданных пределах.Надежность – это способность сенсора выполнять требуемые функциипри соблюдении определенных условий в течение заданного промежуткавремени.19Рис.

I.4 Градуировочные кривые, отображающие некоторые статическиехарактеристики сенсора: (А) чувствительность, нелинейность, пределобнаружения, нулевой выходной сигнал; (Б) ошибка гистерезиса;цитируется из работы [8].20I.3.2Метрологические характеристикиПогрешность сенсора определяется как отклонение результатаизмерения от действительного значения измеряемой величины. Напрактике погрешность конкретного сенсора можно также представить ввиде разности между значением, вычисленным по выходному сигналу, иреальным значением поданного входного сигнала. Чем меньшепогрешность сенсора, тем выше его точность.Точность измерения характеризует близость результата измерения кдействительному (истинному) значению измеряемой величины. На Рис.

I.5точность показаний сенсорапредставлена всравнении своспроизводимостью при измерении количества измеряемой величины.Краткосрочная и долгосрочная стабильность (дрейф) – этохарактеристики точности сенсора. Краткосрочная стабильность описываетизменения рабочих характеристик сенсора в течении минут, часов илидней. Выходной сигнал датчика может увеличиваться или уменьшаться, чтоможет быть выражено через величину шума сверхнизкой частотыДолгосрочная стабильность зависит от процессов старения, которыеизменяют электрические, механические, химические и термическиесвойства материалов датчика.Разрешающая способность характеризует минимальное изменениеизмеряемой величины, которое может почувствовать сенсор.Некоторые другие общие определения и термины, применяемые всенсорном анализе , перечислены ниже:Аналит (или анализируемый компонент) это химическое вещество, длякачественного или количественного определения которого проводитсяданный анализ.

Измеряемая величина - это состояние или свойство, котороедолжно быть измерено.Ошибка взаимозаменяемости это ошибка, которая наблюдается, призамене одного сенсора на другой при измерении одной и той же измеряемойвеличины.Шум (noise) это электрические помехи измеряемого сигнала, которыеснижают точность измерения.Отношение сигнал-шум – безразмерная величина равная отношениюполезного выходного сигнала к мощности шума.Пороговое значение представляет собой наименьший входной сигнал,способный вызвать значимое изменение выходного сигнала.Перекрестнаячувствительностьотображаетвлияниеоднойизмеряемой величины (аналита) на чувствительность сенсора к другойизмеряемой величине (аналита).Нелинейность означает отсутствие постоянной пропорциональностимежду входным и выходным параметрами во всем диапазоне измеренияСпособ передачи сигнала (режим трансдукции) это режим в которомсенсор получает информацию об аналите (электрический, оптический, пр.).21Табл.