3. Амперометрические сенсоры

Применение вольтамперометрических измерений для создания химических сенсоров нам уже знакомо на примере амперометрического датчика Кларка для определения кислорода (раздел 4.4). В нем используется рабочий электрод — катод — из платины в паре с серебряным анодом. Можно использовать и электроды из других материалов — например, рабочий серебряный электрод в паре со свинцовым анодом. Электролитом в этом случае служит раствор гидроксида калия. На серебряном катоде происходит восстановление кислорода, а на свинцовом аноде — окисление свинца:

РЬ + 6ОН- ^ [РЬ(ОН)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 Кларка продуктом анодной реакции является нерастворимый хлорид серебра, осаждающийся на электроде.

Известны амперометрические сенсоры и для определения других гадов. В частности, на предприятиях по хлорированию питьевой воды используют безмембранные сенсоры для определения свободного хлора, а в состав средств защиты шахтеров входит датчик на оксид углерода. При превышении предельно допустимой концентрации он автоматически подает сигнал тревоги. Однако по основным своим характеристикам все эти сенсоры уступают датчику Кларка.

Датчик Кларка в сочетании с ферментными мембранами может использоваться для определения различных субстратов. Мы уже упоминали (раздел 4.4) о возможности определения глюкозы при помощи глюкозооксидазы. Аналогичным образом можно определять галактозу с помощью галактозооксидазы или мочевину с помощью уриказы.

4. Кондуктометрические сенсоры

В основе работы целого ряда газовых сенсоров лежит принцип измерения электропроводности. Наиболее известны сенсоры на основе оксидных материалов с электронной проводимостью (n-типа) — SnO₂, ZnO, ТЮ₂, Fe₂O₃. На рис. 7.20 показано устройство сенсора с чувствительным слоем из SnO₂. В основе действия подобных сенсоров лежит то обстоятельство, что на поверхности чувствительного слоя всегда ад сорбируется кислород. При контакте с газами, обладающими восстановительными свойствами, адсорбированный кислород взаимодействует с ними. При этом электропроводность оксидного слоя изменяется.

Рис. 7.20. Устройство газового сенсора на основе SnO2.

Таким образом, подобные сенсоры являются неселективными датчиками для определения газов-восстановителей — Н₂, РНз, МНз, SO₂, CO, СЩ и других. Они могут использоваться и как датчики на кислород. Такие сенсоры отличаются исключительной простотой устройства.

Явление электронной проводимости используется и в так называемых хемирезисторах. Сенсоры этого типа конструктивно вы-

полнены 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 создавать сенсоры для определения различных газов — NHs, NC>2 и других.

Оптические сенсоры

Развитие оптических сенсоров началось с появлением световодов для передачи излучения видимого диапазона. В настоящее время уже существуют оптоволоконные световоды и, соответственно, оптические сенсоры также для УФ-, ближней и средней ИК-областей спектра. Наряду с оптоволоконными разрабатываются и сенсоры на основе планарной оптики.

В основе действия оптических сенсоров лежит зависимость той или иной оптической характеристики от концентрации вещества. С технологической точки зрения различают три поколения оптических сенсоров. Оптические сенсоры первого поколения служат, по существу, лишь устройствами для передачи сигнала и измерения величин, характеризующих традиционные, широко используемые в химическом анализе оптические явления — поглощение, испускание, ослабление, преломление света, флуоресценция. Сенсоры второго поколения используют те же явления в сочетании с химическими реакциями. Их уже можно считать системами распознавания химических веществ (хеморецепторами). В основе оптических сенсоров третьего поколения лежат новые принципы действия и оптические явления, не имеющие аналогий в традиционных методах анализа — образование поверхностных волн, интерференция, поляризация света.