2. Оптроды третьего поколения

Оптроды 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-спектроскопии с нарушенным полным внутренним отражением.

Рассмотрим оптрод третьего поколения, предназначенный для определения 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 каждом таком отражении часть света поглощается. Измеренная величина общего поглощения зависит от оптических характеристик красителя и, следовательно, от содержания аммиака.

Рис. 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 электрических помех.

• При использовании оптических сенсоров обычно не требуется применение дополнительных устройств, подобных электроду сравнения.

• Фаза, содержащая реагент, легко может быть заменена. В связи с этим получили распространение одноразовые оптические сенсоры.

Оптические сенсоры имеют и ряд недостатков.

• Они подвержены помехам со стороны дневного света. Эти помехи можно предотвратить, если использовать пульсацию (модуляцию) источника излучения. Очень удобными источниками пульсирующего излучения могут служить светодиоды.

• Срок службы оптических сенсоров может быть невелик из-за вымывания реагента.

• Оптические сенсоры имеют, как правило, узкий динамический диапазон (см. уравнение (7.11)). Исключение составляют ион- селективные оптроды.

3. Термические (калориметрические) сенсоры

Действие некоторых газовых сенсоров, называемых пеллисторами, основано на измерении теплоты, выделяющейся в результате каталитической реакции. Чувствительный элемент такого сенсора представляет собой королек стеклообразно го материала, помещенный на подогреваемую до температуры 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 (мостик Уитстона).

Рис. 7.26. Схема устройства пеллистора с каталитически активным слоем Pt или Pd.

Калориметрические сенсоры в форме миниатюрных калориметров (раздел 2.8) применяют и для измерений в растворах. Простейшая конструкция таких сенсоров представляет собой проточный реактор с иммобилизованным реагентом. На выходе из реактора установлен терморезистор для измерения теплоты, выделяющейся в ходе 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 относят к сенсорам. Принцип измерений, лежащий в основе калориметрических сенсоров, сам по себе неселективен, однако это компенсируется высокой 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.