Диссертация (1150360), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Однако позже различныеавторы применяли и вольтамперометрические мультисенсорные системы [46, 47]и даже сенсоры, имитирующие вкусовые рецепторы.Темнеменее,особенночастонаходятприменениеименномультисенсорные системы на основе метода потенциометрии, прежде всего, этосвязано с практической возможностью создания новых и усовершенствования ужеимеющихся сенсорных материалов. В течение долгого времени большинствоисследований,связанныхсиспользованиемпотенциометрическихмультисенсорных систем, было посвящено работам с уже готовыми электродами,и разработка сенсорных материалов практически не велась.

Впрочем, вдальнейшем стало очевидно, что для изменения диапазона чувствительностиэлектродов, а также развития области применения массивов сенсоров, требуютсяновые материалы, которые можно было бы использовать для полученияаналитического сигнала.Необходимость варьирования сенсорных свойств, а значит, и структурымембраноактивных веществ, также объясняет популярность в настоящее времяпластифицированных полимерных мембран [48-50], которые пришли на смену33халькогенидным стеклам, а также поликристаллическим мембранам на основесолей металлов.Работа с массивом сенсоров (мультисенсорной системой) схожа сисследованиями потенциалов отдельных электродов, проводится измерениеэлектродвижущей силы (Э.Д.С.) электрохимической ячейки [51], состоящей измассива и электрода сравнения.

Для измерения используют многоканальныевольтметры с высоким входным сопротивлением. Вся система подключена кперсональному компьютеру, необходимому для сбора полученных данных ипоследующей их обработки (рисунок 6).Рисунок 6. Схема работы потенциометрической мультисенсорной системы.Мультисенсорная система представляет собой массив химических сенсоровс относительно невысокой селективностью, которым присуща, так называемая,перекрестнаячувствительность,т.е.чувствительностьодновременнокнескольким компонентам исследуемого раствора. Количество химическихсенсоров, включенных в массив, может варьироваться от нескольких до десятков.34Полученный в результате анализа набор откликов сенсоров подвергается методамобработки многомерных данных, позволяющих сделать вывод о качественном иколичественном составе образцов [52].Сенсоры, составляющие массив, подходящий для решения конкретнойзадачи,должныхарактеристиками,обладатьатакжехорошовоспроизводимымивысокойперекрёстнойаналитическимичувствительностью.Существует три основных параметра, позволяющие оценить перекрестнуючувствительность отдельно взятого сенсора и принять решение о возможностиили невозможности включения электрода в мультисенсорную систему [53]:Средний наклон S рассчитывается по формуле:SгдеSi–калибровочныхугловойкоэффициентрастворах1 Sin i(3),электроднойиндивидуальныхфункциивеществ,сенсоравперекрёстнаячувствительность к которым оценивается; n – число изучаемых веществ.Считается, что чувствительность сенсоров к выбранному кругу веществ темвыше, чем больше значение среднего наклона, однако, каждый конкретныйслучай стоит рассматривать отдельно.

Теоретическое значение S равное ±29 мВ∙(px)-1 соответствует чувствительности сенсора к двухзарядным ионам. Обычносчитают, что электроды со средним наклоном > 25 мВ∙ (px) -1 обладают высокойперекрёстнойчувствительностьюимогутбытьвключенывсоставмультисенсорной системы для определения данного набора ионов. Существуютслучаи, когда средний наклон сенсорного материала может превышать 30 мВ∙(px)-1 – это связано с супернернстовской чувствительностью к одному илинескольким ионам.35Фактор стабильности К – это усредненное по всем изучаемымвеществам соотношение сигнала и шума для определенного сенсора, котороесоответствует следующей формуле:K11 SKi   in in i si(4)В этом соотношении Si – коэффициент электродной функции сенсора врастворах выбранных веществ; si – стандартное отклонение коэффициентаэлектродной функции сенсора в растворах выбранных веществ.

Для расчетастандартного отклонения проводятся параллельные измерения, позволяющиеопределить, насколько хорошо воспроизводятся характеристики сенсора висследуемых растворах. Ясно, что чем выше значение фактора стабильности, темлучше воспроизводятся показания электрода, практически доказано, что сенсоры,для которых K ≥ 2 могут быть использованы в составе мультисенсорной системы.ФакторнеселективностиFхарактеризуетравномерностьраспределения чувствительности сенсора к выбранному для изучения наборувеществ:FSs2(5)S - средний наклон; s – стандартное отклонение среднего наклона.Фактор неселективности помогает установить, обладает ли сенсорперекрестной чувствительностью в данной конкретной ситуации.

Значениеприблизительно0,1типичнодля высокоселективныхсенсоров,которыепроявляют высокую чувствительность только одному иону, такие электроды неподходят для использования в качестве составной единицы мультисенсорнойсистемы. Величина фактора равная 0,1 говорит о наличии чувствительности кнескольким ионам из числа исследованных. Для материалов с приблизительноодинаковой чувствительностью ко всем ионам фактор неселективности должен36быть больше 0,1.

Как правило, считают, что F = 0,5 и больше свидетельствует оналичии перекрёстной чувствительности данного сенсора к изучаемому наборуионов. На практике, при выборе электродов для мультисенсорных систем,учитывают все вышеперечисленные параметры.Широкий круг задач, решаемый с помощью мультисенсорных систем, частосвязансустановлениемвкусовыххарактеристик,качествапродуктов,установлением их подлинности и соответствия принятым нормам, кроме того, вкачестве анализируемых образцов нередко используют другие вещества,употребляемые человеком, например, лекарственные средства.

Впервые система,определяющая пять базовых вкусов, была предложена группой японскихисследователей в начале девяностых годов XX века [54, 55] и состояла из восьмипотенциометрических сенсоров; в качестве чувствительного слоя в этих сенсорахиспользовались липидные мембраны, в состав которых входил поливинилхлориди пластификатор диоктил фенилфосфонат.В работах, связанных с определением тех или иных вкусовых параметров,референтнымиметодамистановилисьоценкилюдей-дегустаторов,такимобразом, использование мультисенсорных систем позволяло избегать проблемсубъективного человеческого восприятия. В случае с фармацевтическимипрепаратами сравнение проводилось относительно реакций млекопитающихживотных, в частности, крыс.Опубликованы статьи, связанные с применением мультисенсорных системдля анализа напитков, например, в статье [56] массив сенсоров использовался дляанализа и классификации 13 различных марок минеральной воды.В работе [57] для анализа образцов чёрного чая применялись два типамультисенсорных систем: потенциометрический и вольтамперометрический.Взаимосвязьреферентнымимеждуданными,даннымиизучали,полученнымииспользуямассивамикоэффициентысенсоров,иматричныхкорреляций.

Статья [58] посвящена решению задачи классификации молока спомощью массива микроэлектродов на основе эпоксидной смолы.37Довольно много исследований посвящены оценке вкуса вина попоказаниям людей-дегустаторов [59-61], определению содержания компонентов,влияющих на качество напитка [62]. Популярным объектом исследованияявляется пиво [63-66], например, в [63] гибридная система на основепотенциометрических и вольтамперометрических сенсоров использовалась дляраспознавания различных сортов пива.Кроме напитков мультисенсорные системы часто используются дляисследования продуктов - оливковых масел [67], овощей [68], рыбы [69].

Какправило, в этих случаях массив сенсоров также используется для классификациипродуктов и для их количественного анализа, определения содержания различныхнеорганических элементов, органических кислот и т.д.Существуют работы, в которых описывается применение мультисенсорныхсистем для оценки концентрации ферментов, а также проверки некоторых стадийпроизводства, например, закваска для сыров [70].Несколько работ посвящено исследованию возможности оценки вкуса нетолько продуктов, но и, например, лекарственных смесей, основная задача такихработ заключается в измерении интенсивности горького вкуса активных веществ,а также эффективности его маскировки специальными веществами, такими какподсластители и ароматизаторы [71, 72].Однакоиспользованиемультисенсорныхсистемнеограничиваетсяизучением пищевой продукции и её вкусовых характеристик.В области медицинских исследований были проведены эксперименты,посвященные применению мультисенсорных систем, например, для определенияхимического состава биологических жидкостей человека, таких как моча [73-75].Массивы сенсоров использовались и при решении задач промышленногоконтроля, в частности, в [76] было предложено использовать мультисенсорнуюсистему для анализа облучённого ядерного топлива.

Проводились исследования,посвященные обнаружению присутствия ванадия различной валентности вкаталитических процессах [77], одновременному определению содержаниянескольких лантаноидов [78].38Перспективнымпредставляетсяихнаправлением примененияиспользованиеприрешениимультисенсорныхсистемэкологическихпроблемразличного рода, таких как загрязнение грунтовых вод на территорияхпромышленных объектов и производств. Ключевой задачей таких работ являетсяисследование водных образцов на присутствие в них ионов Cu2+, Fe3+, Mn2+, Zn2+,Ca2+, Mg2+, Na+, Cl–, и SO42– [79, 80].

В ряде статей описывается анализ сточныхвод различного состава и происхождения с помощью массива сенсоров [81].1.5. Методы анализа многомерных данныхМеждународное хемометрическое общество определяет хемометрику, какнауку о соотнесении измерений, проведенных над химической системой илипроцессом,сиспользованиясостояниемэтойматематическиххимическойлибосистемыстатистических(процесса)методов.путемВпервыехемометрика появилась в двадцатом веке [82-86] и изначально выделялась какотдельная дисциплина в аналитической химии. Однако, со временем, в связи споявлением все более сложных задач, не всегда относящихся к областианалитической химии, и развитием методов анализа, хемометрика превратилась вотдельную дисциплину.Цель любого анализа многомерных данных заключается в нахождениинеких скрытых закономерностей, связанных со свойствами изучаемых объектов.Длявыявленияиспользоватьинформации,различныеинтереснойтеоретическиеисследователю,модели,методынеобходимоматематическойстатистики, проводить оптимизацию эксперимента и подбор правильных методованализа – всё это в итоге и составляет основу хемометрики.Использование методов хемометрики в настоящее время позволяет решатькруг задач, которые ранее казались практически неразрешимыми, например, этокасается широко распространенных проблем, связанных с перекрывающимися иналоженными сигналами, полученными при работе с методами спектроскопии.Развитиеметодовмногомерногоанализапозволилообойтиподобные39экспериментальные сложности, используя созданный на основе методовхемометрики математический аппарат, а также соответствующее программноеобеспечение.

Характеристики

Список файлов диссертации