Том 2 (1109662), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Хромофором может служить краситель нильский голубой или запатентованное вещество ETH 5294, синтезированное проф. Симоном в Цюрихе:нильский голубойETH 5294Достоинством оптродов этого типа является широкий динамический диапазон концентраций, сравнимый с таковым для ионселективных электродов. Для создания оптродов можно использоватьширокий ассортимент ионофоров, применяемых в потенциометрии.186 Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализОптроды третьего поколенияОптроды третьего поколения основаны на использовании новых оптических явлений.
Одно из них носит название поверхностных световых волн и проявляется в частичном поглощении света при его полном отражении на границе раздела оптических сред. С этим явлением мы уже сталкивались при обсуждении метода ИК-спектроскопиис нарушенным полным внутренним отражением.Рассмотрим оптрод третьего поколения, предназначенный дляопределения аммиака (рис. 7.25; см. также табл. 7.10). Он представляет собой тонкое стеклянное волокно или капилляр, покрытый слоем красителя, изменяющего свою окраску в присутствии аммиака.Если пустить луч света под малым углом к оси оптрода, то он испытает многократное (до 600 раз) полное отражение.
При каждомтаком отражении часть света поглощается. Измеренная величинаобщего поглощения зависит от оптических характеристик красителя и, следовательно, от содержания аммиака.> выходящий светвходящий светкрасительР и с . 7.25. Оптический сенсор, использующий явление поверхностных световых волн.Ряд других оптических сенсоров упомянут в табл. 7.10.По сравнению с электрохимическими сенсорами оптические сенсоры обладают рядом достоинств.- Использование оптических сенсоров позволяет в принципе регистрировать весь оптический спектр и, таким образом, получать значительно больше информации.- Оптические сенсоры не подвержены влиянию электрическихпомех.- При использовании оптических сенсоров обычно не требуетсяприменение дополнительных устройств, подобных электродусравнения.- Фаза, содержащая реагент, легко может быть заменена.
В связи с этим получили распространение одноразовые оптическиесенсоры.k i T M № i i, .'" ••"" •7.2. ХимическиесенсорыОптические сенсоры имеют и ряд н е д о с т а т к о в .- Они подвержены помехам со стороны дневного света. Эти помехи можно предотвратить, если использовать пульсацию (модуляцию) источника излучения. Очень удобными источникамипульсирующего излучения могут служить светодиоды.- Срок службы оптических сенсоров может быть невелик из-завымывания реагента.- Оптические сенсоры имеют, как правило, узкий динамическийдиапазон (см. уравнение (7.11)). Исключение составляют ионселективные оптроды.Термические (калориметрические) сенсорыкаталитическиактивный слойДействие некоторых газовых сенсоров, называемыхпеллисторами, основано наизмерении теплоты, выде-раскаленнаяпроволокаинертны^оксидныйматериал(ThO 2 AI 2 O 3 )ляющейся в результате каталитической реакции.
Чувствительный элемент такого сенсора представляет соб о й КОрОЛвКСТвКЛООбраЗНО-го материала, помещенныйнаРис. 7.26. Схема устройства пеллистора сподогреваемую до темпек а т а л и т и ч е с к и а к т и в н ы м слоем Pt или Pd.ратуры порядка 550° С платиновую проволоку и покрытый каталитически активным слоем Pt или Pd (рис. 7.26). На поверхности такого слоя адсорбируется атмосферный кислород. Если на поверхность каталитически активного слоя попадают молекулы горючих газов, например СО или СЩ, то они каталитически окисляются, выделяя тепло и увеличивая температуру чувствительного элемента.
Это увеличение температуры, пропорциональное содержанию газа, регистрируют при помощи термосопротивления, включенного в компенсационную электрическую цепь (мостикУитстона).Калориметрические сенсоры в форме миниатюрных калориметров (раздел 2.8) применяют и для измерений в растворах. Простейшая конструкция таких сенсоров представляет собой проточныйреактор с иммобилизованным реагентом. На выходе из реактора188Глава 7.
Автоматизацияанализа и производственныйанализустановлен терморезистор для измерения теплоты, выделяющейся входе реакции. Хотя устройства такого типа, строго говоря, не подпадают под определение сенсора (см. выше), они имеют с сенсорами(в строгом смысле слова) столь много общего, что их тоже относятк сенсорам. Принцип измерений, лежащий в основе калориметрических сенсоров, сам по себе неселективен, однако это компенсируетсявысокой селективностью используемых химических реакций, например, взаимодействия фермента с субстратом.
При помощи ферментативных калориметрических сенсоров возможно определение мочевины, пенициллина, глюкозы, сахарозы, холестерина, молочной кислоты и других биологически важных соединений.Гравиметрические сенсорыЧувствительным элементом гравиметрического ( м а л о ч у в с т в и т е л ь ного) сенсора является пьезоэлектрический датчик. В основе действия т а к и х сенсоров лежит изменение массы чувствительного элемента в присутствии определяемого вещества (например, газа) ивызванное э т и м изменение резонансной ч а с т о т ы .
Возможно т а к ж еиспользование явления поверхностно-акустических волн.^У--'слой-^s~*~^^ адсорбента' ^flfetVL / ^HHpF j \ \/ х;;-^чк--^Ухь/^x4кварцеваяпластинаСхематически устройство кварцевого пьезоэлектрического датчика изо-XxХx_ п„_бражено на рис.
7.27. Вибрирующаякварцевая пластина покрыта слоем адсорбента, способного поглощать определяемый газ. В результате вибраций<Ь««пластины с некоторой частотой вследРис. 7.27. Схема устройства ствие пьезоэлектрического эффектапьезоэлектрического датчика возникает переменное электрическоедля химических сенсоров.поле той же частоты. При адсорбциигаза масса пластины изменяется.
Соответственно, изменяется частота вибраций и частота переменногополя. Связь между изменением массы пластины и изменением частоты поля характеризует следующее соотношение:Av = - 2 , 3 - 1 0 4 [ ~ ) ,(7.13)где А — площадь поверхности пластины, щ — первоначальная резонансная частота вибраций.Обычно резонансные частоты пьезоэлектрических датчиков составляют порядка 10-15 МГц. При этом возможно надежно зареги-7.,? сйк*#.7.2. Химические сенсоры 189стрировать изменение частоты электромагнитных колебаний вплотьдо 0,01 Гц, что соответствует изменению массы порядка Ю - 1 1 г.
Таким образом, пьезоэлектрический датчик служит высокочувствительными весами. Выбор возможных адсорбентов для определенияразличных веществ очень широк. Например, фосфорорганическиесоединения можно определять при помощи комплексов меди с диаминами, химически закрепленных на поверхности полимера:Такой сенсор является обратимым. Он позволяет детектироватьдиизопропилметилфосфонат при содержаниях до 20 частей на миллиард. Пьезоэлектрические сенсоры можно применять для непрерывного контроля за содержанием вредных газов или задымленностью атмосферы.Более чувствительны гравиметрические сенсоры, основанные наявлении поверхностных акустических волн.
Их резонансная частотасущественно выше, чем у кварцевых пьезоэлектрических весов, и составляет около 1 ГГц. Соответственно, нижняя граница измеряемыхмасс меньше и находится уже в фемтограммовой (10~ 15 г) области.Схема резонатора на поверхностных акустических волнах изображена на рис. 7.28. Между двумя парами электродов — излучателеми приемником высокочастотного электромагнитного излучения —расположена кварцевая пьезоэлектрическая пластина (подложка) снанесенным на нее слоем адсорбента. При облучении пластины импульсом электромагнитного излучения с резонансной частотой возникает обратный пьезоэлектрический эффект — механические колебания пластины, распространяющиеся в ее приповерхностном слое(поверхностные акустические, или релеевские, волны).
Как и длякварцевых пьезоэлектрических весов, резонансная частота зависитот массы пластины. В результате адсорбции определяемого вещества на слое адсорбента масса пластины изменяется, что можно зарегистрировать по изменению резонансной частоты колебаний.Многоканальные сенсорыВсе рассмотренные типы сенсоров обладают, как правило, достаточно низкой селективностью. Взаимные мешающие влияния компонентов — вполне обычное явление для большинства химических сенсоров, использующих лишь один канал информации (длина волны,190 Глава 7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
