Диссертация (1150297), страница 2
Текст из файла (страница 2)
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ1.1. Мультисенсорные системыМультисенсорные системы (МС), также именуемые «электронный язык»(ЭЯ), представляют собой комбинацию из массива неспецифических химическихсенсоров, проявляющих перекрестную чувствительных к компонентам раствора,аппаратуры для сбора данных и методов машинного обучения для интерпретацииотклика сенсоров. В приведенном значение термин ЭЯ впервые был использованв 1995 в рамках конференции «Евросенсор Х» [1] и позднее, в 2005 году, введенна заседание Международного союза по теоретической и прикладной химии [2].Поскольку в ЭЯ можно изменять и физическую составляющую, использоватьразные химические сенсоры, и применять различные способы интерпретацииданных, такие системы используют для анализа объектов различной природы.Впервые набор химических сенсоров и многомерную обработку данныхприменили еще в 1985 году, для определения ионов Mg2+, Ca2+, Na+ и K+ в смеси[3].
Отклик пяти ионоселективных электродов (ИСЭ) анализировали методомпроекции на латентные структуры (ПЛС) для количественного определенияиндивидуальных ионов в модельных смесях. В системах типа ЭЯ селективностьсенсоров не является определяющим фактором, что существенно увеличило числодатчиков пригодных для использования и расширило область их применения.1.1.1 Основные объекты исследованийНаиболее активно МС применяются для анализа пищевых продуктов.
Этосвязано с возможностью определения интегральных характеристик объектов,например вкуса. Первая система для определения пяти базовых вкусовпредложена в 1990 году группой японских исследователей [4, 5]. Она состояла извосьми потенциометрических сенсоров, на основе липидных мембран, иэлектрода сравнения. Под руководством К. Токо проведен ряд исследований [6 ,7,8] и создана серия приборов, выпускаемая под торговой маркой Insent ®.10 Отклик «сенсоров вкуса» (от англ.
taste sensor) [9] демонстрирует высокуюкорреляцию с оценками дегустаторов. Приборы на основе таких сенсоровопределят основные дескрипторы (признаки) вкуса, а именно горький, сладкий,кислый, соленый и умами. Более широкий перечень различных характеристикпозволяют определять системы типа ЭЯ. В ряде работ показана возможностьопределения вкусовых характеристик вин, в терминах панели дегустаторов [10,11, 12, 13]. Такая оценка позволяет избежать субъективности человеческоговосприятия, которую невозможно исключить при органолептическом анализе.Системы применяли для определения горькости пива [14, 15, 16], химическогосостава минеральных вод [17] и чая [18].
Кроме того ЭЯ использовали дляотнесения образцов чая к различным регионам произрастания [19] и оценки егокачества [20]. Не только напитки анализируют при помощи МС, вкусовыехарактеристики продуктов питания также оценивают посредством массивовсенсоров [21, 22, 23].Поскольку задача определения вкусовых характеристик важна и припроизводстве лекарственных препаратов, то ЭЯ нашли применение и в даннойобластидляоценкиэффективностимаскировкивкусаактивныхфармацевтических ингредиентов [24, 25].Область применения МС выходит за пределы изучения вкусовыххарактеристик.
В медицине существует опыт применения систем, например дляопределения химического состава образцов мочи [26, 27, 28].Другой значительной областью, где успешно применены МС, являетсяэкологический контроль. При помощи сенсоров и многомерной обработки данныхможно определять различные загрязнения в пробах природной воды [29, 30].Также продемонстрирована возможность оценки общей токсичности такихобразцов, без использования живых организмов [31,32].Системы типа ЭЯ использовали для оценки качества сточных вод,поступающих от бумажной фабрики [33]. Описывая области применения МСнеобходимо подчеркнуть применимость таких систем для онлайн мониторинга,например биотехнологических процессов [34].
Именно возможность анализа в11 режиме реального времени существенно расширяет области применения и делаеттакие системы интересным аналитическим инструментом. Несмотря на то, что наданный момент МС мало применяются для анализа промышленных растворов,такое направление развития является перспективным.Сложными объектами исследования являются растворы, содержащиеэлементы схожие по химическим свойствам. Например, многокомпонентныесмеси редкоземельных элементов (РЗЭ). Группа РЗЭ включает 15 лантанидов, атакже скандий и иттрий. Элементы обладают исключительно схожими физикохимическими свойствами.
Например, ионные радиусы трехзарядных катионовуменьшаются в группе La (1,061 Å) к Lu (0,846 Å), ионный радиус иттрия почтиравен гольмию [35].Интерес к аналитическим приборам пригодным для анализа растворовсодержащих РЗЭ, часто в режиме реального времени, является следствием рядапричин. В первую очередь возросшим числом областей применения такихэлементов в энергетике, электронике и других областях [36]. В связи с чемпроисходит постепенная выработка естественных месторождений и повышаетсястоимость добычи элементов данной группы [37, 38].
Как следствие возрастаетспрос на разработку способов выделения и разделения РЗЭ из различных смесей[39, 40], где необходимо аналитическое сопровождение.В настоящее время совместное определение РЗЭ в смеси успешно проводятпри помощи сложных аналитических методов, например масс-спектрометрии синдуктивно-связанной плазмой [41, 42]. При этом не теряет своей актуальностизадача по разработке дополнительных методов, позволяющих осуществлятьконтроль составов растворов в режиме реального времени. С этой точки зренияхимические сенсоры, измерения с которыми экспрессны, легко автоматизируютсяи не требуют дорогой и сложной аппаратуры являются интересным направлениемразвития аналитического приборостроения.12 1.1.2 Химические сенсорыХимические сенсоры (ХС) – основная часть любой мультисенсорнойсистемы.Химическийсенсор–этоустройство,предназначенноедлянепрерывного определения концентрации химических компонентов в жидкостяхили газах и конвертирующее информацию в электрический или оптическийсигнал в режиме реального времени [43].Все ХС оснащены следующими основными элементами: чувствительныйслой – ответственен за формирование отклика на изменение концентрацииопределяемого компонента; преобразователь (трансдьюсер) – преобразуетэнергию в электрический или световой сигнал; токоотвод – передает сигнал отпреобразователя к измерительному прибору.Сигнал, формирующийся на чувствительном элементе – аналитический ипредоставляет информацию о составе среды.
В зависимости от способапреобразования сигнала ХС можно разделить на электрохимические, оптические,масс-чувствительные и теплочувствительные [44]. Несмотря на широкий выборХС, первое место в областисенсоры[45].Даннаяразработки ЭЯ занимают электрохимическиетенденцияобусловлена,всущественноймере,возможностью изменения спектров чувствительности ХС путем модификациичувствительных слоев сенсоров, ответственных за формирование аналитическогосигнала.Электрохимическиесенсорымогутбытьразделенынагруппывсоответствие с процессом, инициирующим проявление характеристическихсвойств аналитов, и по тому какие параметры данных процессов считаютаналитическимсигналом.Вобщемслучаеэлектрохимическиеметоды,подразделяют на равновесные и неравновесные.
Группа неравновесных методовпредполагает протекание тока конечной величины через измерительную ячейку,что выводит электрохимическую систему из состояния равновесия и провоцируетпоявлениемассопереносанеравновеснымметодамвеществотносятсявприэлектродномпространстве.Квольтамперометрия,кулонометрияи133 электррогравимеетрия [466]. В равнновесныхх методахх электриический токт старааютсясвестии к миниммуму, т.е. заметногго воздеййствие на равновессие на граанице раззделафаз и в глубине раствоора не ппроисходиит. К даннной групппе отноосится пррямаяпотенцциометриия, котораая примееняется дляд прямоого опредделения концентркрацииили акктивностии ионов в раствооре.
Потеенциометрическиее химичесские сенсорызанимаают лидиирующие позициии в области создания мулльтисенсоорных сиистем[47], ччто обуслловлено прростотойй проведенния аналииза и возмможностьью измерренийврежжимерееальноговременни,поэтоомувданнойработеисследоовалипотенцциометриические мультисенмнсорные системы. Остановвимся более подрробнонаппринципаххработтытакиихсенссоровиихввидах.Впроццессепотенцциометриических измеренийий регистррируют электродвэвижущуюю силу (ээ.д.с.)электррохимической цепии [48], кооторую фоормируютт стандарртный и индикаторирныйэлектрроды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
