- •Введение
- •Общие сведения о методах и средствах исследования пищевых продуктов
- •Тема 1. Отбор и подготовка пробЫ к анализу
- •Тема 2. Погрешности анализа, обработка результатов измерений, методы оценки точности методик
- •2.1. Аналитический сигнал. Методы измерения
- •2.2. Погрешности анализа. Представление результатов анализа
- •2.3. Статистическая обработка результатов прямых равноточных наблюдений (определений)
- •2.4. Оценка грубых погрешностей (промахов)
- •Тема 3. Титриметрический анализ
- •3.1. Характеристика титриметрического метода. Кривые титрования
- •3.2. Классификация титриметрических методов анализа
- •3.3. Кислотно-основное титрование
- •3.4. Комплексонометрическое титрование
- •3.5. Окислительно-восстановительное титрование
- •3.6. Осадительное титрование
- •Тема 4. Радиометрический анализ и радиационный контроль
- •Тема 5. Электрохимические методы анализа
- •5.1. Потенциометрический метод анализа
- •5.2. Кондуктометрический метод анализа
- •5.3. Кулонометрический метод анализа
- •5.4. Вольтамперометрический метод анализа
- •Тема 6. Оптические методы исследования
- •6.1. Рефрактометрический анализ
- •6.2. Поляризационный анализ
- •6.3. Нефелометрический и турбидиметрический анализы
- •Тема 7. Спектроскопические методы исследования
- •7.1. Понятие спектроскопии. Типы спектров
- •7.2. Фотометрический метод анализа
- •7.3. Радиоспектроскопия, ядерный магнитный и электронный парамагнитный резонансы
- •7.4. Инфракрасная спектроскопия
- •7.5. Ультрафиолетовая спектроскопия
- •7.6. Лазерная спектроскопия
- •7.7. Масс-спектрометрия
- •7.8. Атомно-абсорбционная спектроскопия
- •7.9. Атомно-эмиссионная спектроскопия
- •7.10. Люминесцентный анализ
- •Тема 8. Рентгеновские методы исследования
- •8.1. Рентгеновская спектроскопия
- •8.2. Рентгеновский структурный анализ
- •8.3. Рентгеновский фазовый анализ
- •Тема 9. Хроматография и родственные методы
- •9.1. Понятие, особенности и классификация хроматографии
- •9.2. Газовая хроматография
- •9.3. Жидкостная хроматография
- •9.4. Ионная хроматография
- •9.5. Капиллярный электрофорез
- •Тема 10. Микроскопические методы исследования
- •10.1. Понятие микроскопии
- •10.2. Световая микроскопия
- •10.3. Электронная микроскопия
- •Тема 11. Физические методы исследования
- •11.1. Термический анализ
- •Отклонение стрелок гальванометров
- •11.2. Методы измерения тепловых и термоэлектрических характеристик
- •11.3. Методы измерения электрофизических характеристик проводящих материалов
- •11.4. Методы измерения диэлектрических свойств
- •11.5. Электрические измерения неэлектрических величин
- •11.6. Измерение магнитных свойств материалов
- •11.7. Электрические и магнитные методы контроля состава и свойств материалов. Устройства и методы неразрушающего контроля
- •Тема 12. Электронные датчики химического состава (Химические сенсоры)
- •12.1. Классификация датчиков
- •12.2. Химические датчики (сенсоры)
- •12.3. Биосенсоры
- •12.4. Оптические химические сенсоры
- •12.5. Интеллектуальные сенсорные системы («электронный нос» и «электронный язык»)
- •Список литературы
- •Содержание
12.2. Химические датчики (сенсоры)
К настоящему времени разработано огромное количество самых разнообразных химических сенсоров. Химические сенсоры представляют собой датчики, у которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.
Химический преобразовательсостоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент: он способен отражать присутствие определяемого компонента и изменение его содержания.
Физический преобразователь (трансдьюсер) преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и (или) электронного устройства.
Химические сенсоры могут работать на принципах химических реакций и на физических принципах. В первом случае аналитический сигнал обусловлен химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя. Во втором случае измеряется физический параметр (коэффициент поглощения или отражения света, масса, проводимость и др.). Для повышения избирательности на входном устройстве перед химически чувствительным слоем размещаются мембраны, которые селективно пропускают частицы определяемого компонента (ионообменные, гидрофобные и другие пленки). При этом определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану к тонкому слою селективного слоя, в котором формируется аналитический сигнал на компонент.
На основе химических сенсоров разрабатываются сенсорные анализаторы, которые представляют собой приборы для определения какого-либо вещества в заданном диапазоне его концентраций.
В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:
электрохимические (потенциометрические, кулонометрические и др.);
электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.);
магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.);
термометрические (термисторные);
оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);
биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.).
В электрохимическом сенсоре определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода.
Потенциометрические сенсоры основаны на ионоселективных электродах, которые дают селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул веществ в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал, который образуется на поверхности твердого материала, помещенного в раствор, содержащий ионы, кото- рые могут обмениваться с поверхностью. Величина потенциала связана с количеством ионов в растворе. Измерить поверхностный потенциал непосредственно невозможно, однако его можно измерить, используя соответствующую электрохимическую ячейку. Поверхность электрода содержит реагент, который химически и обратимо взаимодействует с аналитом. В потенциометрических сенсорах используются четыре типа мембран: стеклянные мембраны, мембраны из плохо растворимых неорганических солей, полимерные мембраны с иммобилизо- ванным ионофором, мембраны с иммобилизованными в геле или химически связанными с гелем ферментами.
Из электропроводящих сенсоров наиболее значительный интерес представляют амперометрические сенсоры, основанные на применении химически модифицированных электродов с использованием полимерных материалов, тонким слоем нанесенных на поверхность электрода. Разработаны эти сенсоры для обнаружения никеля в кондитерских изделиях, шоколаде и прочих продуктах, отличающихся весьма разнообразным катионным составом.
Действие кондуктометрических сенсоров основано на измерении электропроводности растворов. В ряде случаев точность измерения ими выше других видов электрохимических сенсоров. Разработано несколько типов потенциометрических и амперометрических сенсоров аммиака на основе микроорганизмов.
Электрические сенсоры (ЭС). Принцип действия ЭС основан на изменении их электрической проводимости в присутствии молекул определяемого газа. Существуют подобные электрические сенсоры на O2, NOx, H2S, СО, Н2, углеводороды, позволяющие определять их содержание на уровне 10–5%. Нижняя граница определяемых содержаний с использованием ЭС лежит в пределах 10–4–10–6%, а в отдельных случаях еще ниже.
Термисторные сенсоры представляют собой устройство для измерения изменений температуры. В основе их действия лежит явление уменьшения электрического сопротивления (приблизительно 4–7%/°С) оксидов металлов (ВаО, СаО, оксид переходного металла), сплавленных при высокой температуре. Термисторы полезны для измерения температур с точностью ±0,005 °С и могут быть использованы для определения малого количества теплоты, которое выделяется в ходе химической реакции. Известно два типа термисторных химических сенсоров (газовые и каталитические).
Один из принципов работы газовых сенсоров может быть основан на индивидуальных сигналах исследуемых газов при ионизации. Такой тип детекторов широко используется в современных газовых анализаторах, таких как хроматографы и масс-спектрометры, для высокоточного измерения концентраций газов. С другой стороны, это сенсоры, способные детектировать опасные для организма человека количества вредных газов в воздушной смеси. Такие газовые сенсоры смогут найти широкое практическое применение в экологическом мониторинге, мониторинге химических предприятий.
Каталитические газовые сенсоры широко используются для определения горючих газов (метана, этана, пропана, угарного газа и водорода) и паров (бензина, органических растворителей) в воздухе. В целях ускорить получение отклика используют катализаторы. К каталитическим газовым сенсорам относятся пеллисторы, которые приме- няют при температурах около +500 °С. Для газовых сенсоров характерен относительно быстрый отклик: результат можно получить уже через 20 с.
Действие сенсора по теплопроводности в отличие от термисторных и каталитических не связано с химическими реакциями, протекающими на поверхности сенсора (в основе их действия – измерение теплопроводности газов). Используются они в качестве детекторов газовой хроматографии и в качестве газовых сенсоров в промышленности.
Масс-чувствительные сенсоры основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта. Сюда включают такие устройства, как поверхностные акустоволновые сенсоры, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта и особенно полезные в качестве газовых сенсоров, например, для определения паров ртути.