Том 2 (1109662), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Для определении кислорода в газовой фазе применяют электрод из пористойплатины, поры которого заполнены оксидным материалом. В этомслучае электродом сравнения служит идентичный электрод, находящийся в камере сравнения — газовой среде с известным содержанием кислорода (обычно это воздух).В соответствии с уравнением Нернста разность потенциалов между измерительным электродом и электродом сравнения зависит отпарциальных давлений кислорода в измерительной камере р и камере сравнения ро какB=^b*.(7.170Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализОксидные электроды используют и для определения содержаниякислорода в выхлопных газах автомобильных двигателей.
На основеполученных данных производят необходимую регулировку двигателя.Газочувствительные сенсорыВ принципиальном отношении газочувствительные сенсоры не предстаионселекгивныивляют собой ничего нового. Осноэлектродву их конструкции составляет обычная электрохимическая ячейка с ионселективным электродом и электродом сравнения. Оба электрода погружены во внутренний растворэлектролита. Снаружи раствор электролита отделен от анализируемого раствора газопроницаемой мембраной (рис. 7.15). Мембрана можетбыть гомогенной или микропористой и обычно имеет толщину погазопроницаемая мембранарядка 0,1 мм. Микропористые мемР и с .
7.15. Устройство газочув браны изготавливают из гидрофобствительногопотенциометриче- ного полимера — тефлона или поского зонда.липропилена. Объем пор составляетоколо 70%, размер — менее 1 мкм. Сквозь такие поры из анализируемого раствора во внутренний электролит свободно проникаютмолекулы газа, а молекулы воды и растворенные в ней ионы задерживаются гидрофобной мембраной.Основой гомогенных мембран обычно служит силиконовая резина. В такой мембране газ растворяется и диффундирует во внутренний раствор. Для обеспечения как можно более высокой скоростипроникновения газа гомогенные мембраны обычно имеют гораздоменьшую толщину, чем микропористые, — порядка 0,02 мм.Рассмотрим, как работает газовый сенсор для определения CO 2 .Газ, диффундирующий через мембрану, проникает во внутреннийраствор электролита — в данном случае это NaHCOa+NaCl. Приэтом происходит кислотно-основная реакция:CO 2 + H 2 O ^ HCOJ + H + .(7.4)Поскольку гидрокарбонат-ион находится в большом избытке, зависимость между концентрациями CO 2 во внешнем растворе и H +7.2.
Химические сенсоры 171во внутреннем растворе близка к линейной. Для измерения концентрации H + можно использовать любой подходящий ионселективный электрод, например стеклянный. Аналогичным образом можно определять концентрации и других газов, обладающих в водных растворах кислотно-основными свойствами, например, SO2 илиN02- Соответствующие реакции приведены в табл. 7.6.Таблица 7.6.Газы, для определения которых существуют промышленновыпускаемые сенсоры.ОпределяемыйгазРеакция во внутреннем раствореCO 2CO 2 + 2H 2 O ^ HCOJ + H 3 O +рН (стеклянный)NO 22 N O 2 + 3H 2 О Fi N O J + N O J +2H3O+рН (стеклянный) илиNOJ-ИСЭSO 2SO 2 + 2H 2 O ^ HSOJ + H +рН (стеклянный)NH 3NH 3 + H 2 O Fi N H + + O H "рН (стеклянный)H2SH 2 S + 2H 2 O ^ S - + 2 H 3 O+Ag 2 S-HCSHCNHCN + H 2 O Fi CN" + H 3 O +Ag 2 S-HCSHF2ИонселективныйэлектродHF + H 2 O Fi F " + H 3 O+LaF 3 -HCSГазы, претерпевающие во внутреннем растворе однотипные реакции, мешают определению друг друга.
Так, определению NO2 с использованием стеклянного электрода мешают SO2 и СОг, посколькуони, как и NO2, B водном растворе выделяют протон. Однако, еслииспользовать нитрат-селективный электрод, то этого мешающеговлияния уже не будет.В табл. 7.6 приведены и другие примеры определения газов с использованием ИСЭ. Недостатками газовых сенсоров описанного типа являются значительное время отклика и невысокая чувствительность.Биокаталитические мембранные сенсорыЕще одна разновидность сенсоров представляет собой сочетаниеионселектпивных электродов с биохимическими реакциями, катализируемыми ферментами, например, превращением мочевины в аммиак и диоксид углерода. Образующиеся продукты можно определять, в частности, при помощи газочувствительных сенсоров, описанных выше.
С помощью биокаталитических сенсоров обычно определяют вещества, представляющие интерес для биологии и биохимии,в том числе достаточно сложные органические молекулы. В биосенсорах можно использовать простые в эксплуатации ионселективные172 Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализэлектроды с малым временем отклика.
Применение биологическихкатализаторов — ферментов — обеспечивает высокоселективноепротекание реакций в мягких, с точки зрения величин рН и температуры, условиях при минимальном расходе субстрата.Чтобы предотвратить потери достаточно дорогого фермента,его иммобилизуют. Иммобилизацию можно осуществлять как непосредственно на поверхности мембраны, так и в специальном слое,покрывающем мембрану.Примером субстрат-селективного мембранного электрода можетслужить электрод для определения мочевины на основе аммонийселективного стеклянного электрода. Ион аммония является однимиз продуктов реакции гидролиза мочевины, протекающей под действием фермента уреазы:NH 2 CONH 2 + 2H 2 O + H + - ^ ¾ - 2NH+ + HCOo(7.5)Уреазу иммобилизуют в полиакриламидном слое, нанесенном на поверхность аммоний-селективного электрода(рис.
7.16). К сожалению, исходный электрод недостаточно селективен к ионамаммония, поэтому при анализе биологических жидкостей заметно мешающеевлияние ионов натрия и калия.иммобилизованныйзащитная ферментВместо стеклянного электрода можномембранаиспользовать газочувствительный элекР и с . 7.16. Устройство био трод для определения аммиака описаннокаталитического мембранно го выше типа. Однако у такого электрого сенсора на основе аммода невелика чувствительность, поскольний-селективого электрода ику оптимальные значения рН для протефермента уреазы.кания ферментативной реакции (около 7)и для определения аммиака (8-9) различаются.Выпускаемые промышленностью тест-системы для массовых определений мочевины устроены как проточные реакторы с иммобилизованным ферментом. Раствор пробы пропускают через такойреактор, затем подщелачивают и определяют выделившийся аммиак при помощи газочувствительного датчика (см.
табл. 7.6).аммонии-селекгивныиэлектродСенсоры на основе полевых транзисторовВсе рассмотренные ранее типы потенциометрических сенсоров включают чувствительную мембрану, электрический контакт которой сЧ ' ь л й й ..!..i7.2. Химические сенсорыостальными элементами цепи осуществляется посредством раствораэлектролита. Для усиления и регистрации электрического сигналав этом случае необходимо отдельное устройство.Однако возможно интегрирование сенсора и устройства для последующей обработки сигнала в одно целое, если использовать полевые транзисторы. Такие сенсоры, впервые разработанные Бергвельдом, называются химическими или ионселективными полевыми транзисторами (ИСПТ).
Основой ИСПТ служит известное микроэлектронное устройство — металлооксидный полевой транзистор (рис. 7.17).Он состоит из кремниевой подложки с р-проводимостью, контактирующей с двумя областями из кремния с n-проводимостью. Этиобласти называются истоком и стоком и посредством металлических контактов (напыленный алюминиевый слой) могут быть включены в электрическую цепь. Подложка, сток и исток покрыты слоем изолятора, диоксида кремния. У транзистора, изображенного нарис.
7.17, имеется еще один дополнительный защитный слой из нитрида кремния.Р и с . 7.17. Схема устройства металлооксидного полевого транзистора.Если к истоку и стоку приложить напряжение UQS, то междуними не потечет никакой ток, поскольку в любом случае один изр-п-переходов — между истоком и подложкой или подложкой и стоком — окажется запертым. Однако полевой транзистор содержитеще один электрод, называемый затвором.
Он отделен от подложкиизолирующим слоем из диоксида кремния.Если приложить напряжение к затвору и подложке UG, ТО В канале (слое подложки между истоком и стоком) возникнет электри-174Глава7. Автоматизацияанализаи производственныйанализческое поле. Под его воздействием между истоком и стоком начнетпротекать ток IDS- Величина этого тока зависит от приложенногонапряжения UQ, причем вполне измеримый ток будет наблюдаться даже при очень малом значении UG- B то же время, посколькузатвор отделен от подложки слоем диэлектрика, ток между затвором и подложкой пренебрежимо мал. Полевые транзисторы оченьудобны как высокоомные входы вольтметров для потенциометрических измерений и часто используются там в качестве усилителей.Зависимость силы тока IDS В цепи исток-сток от напряжения UQназывается вольтамперной характеристикой полевого транзистора.-ОН,'» IHэлектрод сравнениячувствительный слоиР и с .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
