Том 2 (1109662), страница 32

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 32)

7.18. Сенсор на основе ионселективного полевого транзистора (ИСПТ).Для создания ионселективного электрода на основе полевого тран­зистора достаточно заменить слой ЭЮг, отделяющий затвор от под­ложки, на соответствующую ионселективную мембрану (рис. 7.18).Контакт в этом случае осуществляется посредством обычного элек­трода сравнения. В присутствии иона, к которому чувствительнамембрана, ее потенциал изменяется. Напряжение UG, подаваемоена затвор, складывается с напряжением, возникающим на мембра­не. Это приводит к параллельному сдвигу вольтамперной характе­ристики транзистора на величину, равную изменению потенциаламембраны. В идеальном случае для однозарядного иона величинаЧ!ОВШ<>Ч«7.2.

Химическиесенсорыэтого сдвига в соответствии с уравнением Нернста составляет 59 мВпри изменении концентрации иона в 10 раз (рис. 7.19).На практике при потенциометрических изме­рениях с использованиемИ С П Т обычно силу т о к ав присутствиив цепи и с т о к - с т о к поддер­ионаживают постоянной, изме­в отсутствиеняя для этого соответству­ионающим образом напряже­ние на затворе. Э т о из_ менение напряжения линапряжение H e g H O с в я з а н о С логарифРис. 7.19. Вольтамперные характеристики м о м активности потенциаИСПТ. Сила тока IDS определяется суммой лопределяющего иона в COвнешнего напряжения Ue и потенциала мем- ответствии с уравнениембраны.Нернста.Таблица 7.7.Примеры химически селективных полевых транзисторов.ТипЗатворОпределяемые веществаГазочувствительныеПТPdH 2 , NH 3 , СОИонселективныеTa 2 O 5 , Al 2 O 3 , BNH+Газопроницаемыебраны + Al 2 ОзФерментныеИммунныемем-NH 3 , CO 2валиномицинK+гель, полимер с иммоби­лизованным ферме H T O Mантигены или антителапенициллин,линацетилхо-альбуминВпервые И С П Т были применены для измерения рН.

Для этого вкачестве чувствительного слоя в принципе возможно использоватьдаже слой Si3N4, уже имеющийся в с т а н д а р т н ы х полевых транзисто­рах, однако в этом случае чувствительность невелика. Теоретиче­ская нернстовская величина наклона градуировочнои зависимостидостигается при использовании слоя Та20б- Другие примеры приме­нения полевых транзисторов для определения различных веществ —ионов, газов, ферментов и антител — приведены в табл. 7.7.

Прин­ципиально возможно использование в полевых транзисторах ионселективных мембран всех типов, применяющихся в обычных И С Э .176 Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализЭто открывает возможности к созданию разнообразных микроэлек­тронных сенсоров.Принцип действия ферментных сенсоров такой же, как и у рас­смотренных ранее аналогичных сенсоров на основе обычных ИСЭ.Одним из примеров иммунных методов анализа может служить ра­диоиммунный анализ (раздел 3.6).В ходе разработки особо миниатюрных сенсоров на базе полевыхтранзисторов порой возникает ряд неожиданных проблем. В эле­ментах микроэлектронной техники некоторые позиции очень чув­ствительны к воздействию окружающей среды, и при изготовлениисерийных изделий их герметично изолируют слоем пластмассы иликерамики.

Для создания сенсоров это покрытие бывает необходимоудалить. Однако в этом случае показания сенсора часто оказывают­ся очень нестабильными, сильно зависящими от атмосферной влаж­ности, колебаний температуры или воздействия различных видовизлучения. Причина состоит в том, что при таких малых разме­рах начинают сказываться факторы, которые при работе с издели­ями большего размера пренебрежимо малы. В частности, это могутбыть эффекты, связанные с поверхностным натяжением, явлениямидиффузии, ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, квантовомеханическими туннельными эффектами.Амперометрические сенсорыПрименение вольтамперометрических измерений для создания хи­мических сенсоров нам уже знакомо на примере амперометрического датчика Кларка для определения кислорода (раздел 4.4). В немиспользуется рабочий электрод — катод — из платины в паре ссеребряным анодом.

Можно использовать и электроды из другихматериалов — например, рабочий серебряный электрод в паре сосвинцовым анодом. Электролитом в этом случае служит растворгидроксида калия. На серебряном катоде происходит восстановле­ние кислорода, а на свинцовом аноде — окисление свинца:Pb + 6OH" ^ [Pb(OH) 6 ] 2 " + 4е".(7.6)Преимущество такого сенсора перед датчиком Кларка в том,что продукт анодной реакции — гидроксокомплекс свинца — рас­творим в воде и не отравляет электрод.

В случае же датчика Кларкапродуктом анодной реакции является нерастворимый хлорид сере­бра, осаждающийся на электроде.«наш*» .fei«iM«*9*tr>w»c«f04AT7.2. Химические сенсорыИзвестны амперометрические сенсоры и для определения другихгазов. В частности, на предприятиях по хлорированию питьевой во­ды используют безмембранные сенсоры для определения свободногохлора, а в состав средств защиты шахтеров входит датчик на оксидуглерода.

При превышении предельно допустимой концентрации онавтоматически подает сигнал тревоги. Однако по основным своимхарактеристикам все эти сенсоры уступают датчику Кларка.Датчик Кларка в сочетании с ферментными мембранами можетиспользоваться для определения различных субстратов. Мы уже упо­минали (раздел 4.4) о возможности определения глюкозы при по­мощи глюкозооксидазы. Аналогичным образом можно определятьгалактозу с помощью галактозооксидазы или мочевину с помощьюуриказы.Кондуктометрические сенсорыВ основе работы целого ряда газо­вых сенсоров лежит принцип изме­рения электропроводности.

Наибо­лее известны сенсоры на основе ок­сидных материалов с электроннойзолотопроводимостью (п-типа) — SnO 2 ,/ZnO, TiO 2 , Fe 2 O 3 . На рис. 7.20 пока­ЛИИЙГ SnOзано устройство сенсора с чувстви­тельным слоем из SnO 2 . В основедействия подобных сенсоров лежитто обстоятельство, что на поверхно­сти чувствительного слоя всегда ад­сорбируется кислород.

При контак­те с газами, обладающими восста­Рис. 7.20. Устройство газового новительными свойствами, адсор­сенсора на основе SnCb.бированный кислород взаимодей­ствует с ними. При этом электропроводность оксидного слоя из­меняется.Таким образом, подобные сенсоры являются неселективными дат­чиками для определения газов-восстановителей — H 2 , РНз, NH 3 ,SO2, СО, СЩ и других. Они могут использоваться и как датчикина кислород.

Такие сенсоры отличаются исключительной простотойустройства.Явление электронной проводимости используется и в так назы­ваемых хемирезисторах. Сенсоры этого типа конструктивно вы-178 Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализполнены в виде двух рядов параллельных стержней. Каждый стер­жень покрыт тонким слоем органического полупроводника — обыч­но фталоцианина или его комплекса с каким-либо ионом металла(к числу таких комплексов относятся, в частности, гемин и хло­рофилл). Варьируя природу центрального атома, можно создаватьсенсоры для определения различных газов — NH3, NO2 и других.Оптические сенсорыРазвитие оптических сенсоров началось с появлением световодовдля передачи излучения видимого диапазона.

В настоящее времяуже существуют оптоволоконные световоды и, соответственно, опти­ческие сенсоры также для УФ-, ближней и средней ИК-областейспектра. Наряду с оптоволоконными разрабатываются и сенсорына основе планарной оптики.В основе действия оптических сенсоров лежит зависимость тойили иной оптической характеристики от концентрации вещества.С технологической точки зрения различают три поколения оптиче­ских сенсоров. Оптические сенсоры первого поколения служат, посуществу, лишь устройствами для передачи сигнала и измерениявеличин, характеризующих традиционные, широко используемые вхимическом анализе оптические явления — поглощение, испуска­ние, ослабление, преломление света, флуоресценция. Сенсоры второ­го поколения используют те же явления в сочетании с химическимиреакциями.

Их уже можно считать системами распознавания хими­ческих веществ (хеморецепторами). В основе оптических сенсоровтретьего поколения лежат новые принципы действия и оптическиеявления, не имеющие аналогий в традиционных методах анализа —образование поверхностных волн, интерференция, поляризация света.Оптические сенсоры первого поколенияПростейший оптический сенсор представляет собой оптическую из­мерительную ячейку, соединенную с фотометром посредством све­товода — волоконно-оптического кабеля. Таким способом можнонепосредственно измерять интенсивность окраски растворов или ихфлуоресценцию, например, для оценки загрязненности природныхвод органическими веществами.Рассмотрим сначала некоторые общие принципы, на которыхосновано использование волоконных кабелей в качестве световодов.Волоконно-оптический кабель изготовлен из стекла, кварца или пласт­массы и имеет диаметр от 0,05 мкм до 0,6 см.

Свет может пере-W*'л*'-, • „ц> '•-1 4I ,7.2. Химические сенсорыдаваться как посредством одного-единственного волокна, так и поцелому пучку волокон. Эти волокна могут быть расположены какслучайно, так и в определенном порядке, например, при передачецельного изображения. Передача изображений по световодам широ­ко используется в медицине при исследовании внутренних органов.луч светаоболочка (показатель преломления H2)сердцевина (показатель преломления и,)Р и с . 7.21. Отражение света от стенок световода.Ход лучей в волоконном кабеле изображен на рис. 7.21.

В зави­симости от угла падения луча часть света отражается от границыраздела сердцевины и оболочки, а часть проходит. Для обеспече­ния полного отражения света вдоль всего световода угол паденияв должен составлять определенную величину, называемую предель­ным углом и зависящую от соотношения показателей преломлениясердцевины п\ и оболочки гьч- При этом показатель преломлениясердцевины должен быть больше, чем оболочки. Часто в качествематериала сердцевины и оболочки используют стекла с показате­лями преломления 1,6 и 1,5, соответственно. Для работы в сред­ней ИК-области используют другие материалы, например, халькогенидные стекла (As-Se-Te) или поликристаллические галогенидысеребра, прозрачные в диапазоне 2-20 мкм.

Показатель преломле­ния сердцевины оптического волокна, состоящего из 75% AgBr и25% AgCl, составляет 2,21. Материалом оболочки служит полимерс показателем преломления 1,5.С величиной предельного угла и показателями преломления п-\и П2 связана важная характеристика оптического волокна, называ­емая численной апертурой NA:NA = sm9 = y/ni - п\.(7.7)Чем больше численная апертура, тем шире может быть входнойконус светового потока.180Глава7.

Характеристики

Список файлов книги