CC BY
251
УДК 504.064.3
ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
И.Г. Казьмина, Л.Т. Рязанцева, В.И. Федянин
В данной статье рассматриваются химические сенсоры в качестве новых аналитических устройств в системе экологического мониторинга, позволяющие получать и перерабатывать экспресс-информацию о химическом составе тех или иных объектов
Ключевые слова: сенсор, экологический мониторинг, экспресс-информация
Экологическая напряженность в мире требует всестороннего и повседневного анализа состояния окружающей среды. Только на основании точных количественных данных можно принимать решения о проведении необходимых мероприятий, предупреждающих ухудшение состояния окружающей среды. В связи с этим в качестве аналитических устройств в системе экологического мониторинга увеличилось использование химических сенсоров.
1 Сенсоры (датчики) позволяют собирать, фиксировать, передавать, обрабатывать и распределять информацию о состояниях физических систем. Это может быть информация о химическом составе, форме, строении, положении и динамике. Существуют различные виды датчиков, принципы их действия базируются на определенных физических или химических явлениях и свойствах [1].
Каким образом может происходить "превращение" физико-химических воздействий в информацию, каковы возможные механизмы этого "превращения", принципы действия сенсоров, от чего зависит точность получаемой информации, - эти вопросы и рассматриваются в данной статье.
Энергетические свойства входных величин датчиков позволяют разделить их по виду входных величин на активные и пассивные. В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу (напряжение, сила и т. д.), в пассивных же входные величины имеют неэнергетический характер (электрические ёмкость, сопротивление и др.).
По числу воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить одномерные датчики, оперирующие с одной величиной, и п-мерные (многомерные), воспринимающие несколько (п) входных величин. При этом многомерные сенсоры могут иметь общие элементы и поэтому быть проще совокупности одномерных датчиков, воспринимающих столько же величин.
По числу выполняемых (измерительных) функций можно выделить однофункциональные и многофункциональные датчики. Многофункцио-
Казьмина Инна Германовна - ВГТУ, студент, тел.
(4732)521939
Рязанцева Лариса Тихоновна - ВГТУ, канд. биол. наук, доцент, тел. (4732) 521939
Федянин Виталий Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 521939
нальные могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнительных функций. Многофункциональные датчики иногда называют также интеллектуальными.
По числу преобразований энергии и вещества датчики можно разделить на одноступенчатые и многоступенчатые.
По технологии изготовления сенсоры можно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии. Особо выделяются биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используется рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества, а также -электронная часть, формирующая измерительные сигналы.
По взаимодействию с источниками информации датчики делятся на контактные и бесконтактные (дистанционного действия).
По виду измерительных сигналов датчики делятся на аналоговые и цифровые. Для анализа работы аналоговых и цифровых датчиков должен быть использован соответствующий виду анализируемых сигналов математический аппарат.
В настоящее время существует тенденция увеличения числа и усложнения функций, выполняемых сенсорами. Особенно это характерно для интегральных датчиков, которые могут включать в свой состав дополнительные устройства.
Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей -химический и физический - находятся в тесном контакте между собой.
Химический преобразователь состоит 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.
Принципиальная схема химического сенсора
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 размещаться 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. Заметим, что к химическим сенсорам относятся также биосенсоры.
В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:
— электрохимические (потенциометрические, кулонометрические, кондуктометри-ческие, амперометрические и др.);
— электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.);
— магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.);
— термометрические;
— оптические (люминесцентные, спектрофотометрические, оптотермические и др.);
— масс-чувствительные или гравиметрические;
— биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.).
Электрохимические сенсоры - устройства, в которых аналитический сигнал обеспечивается протеканием электрохимического процесса. Предназначены для качественного и количественного анализа химических соединений в жидких и газообразных средах. По сравнению с обычными аналитическими приборами отличаются портативностью, простотой конструкции, относительно низкой стоимостью. Созданы потенциометрические, амперометрические, кондуктометрические, импедансометрические электрохимические сенсоры. Аналитическими сигналами служат, соответственно: потенциал индикаторного электрода (при нулевом токе через электрохимическую ячейку); ток, протекающий через ячейку при заданном значении электродного потенциала; электропроводность раствора электролита; электрохимический импеданс системы, представляющий собой электрический эквивалент определенного сочетания сопротивлений и емкостей в электрохимической цепи.
Электрохимические сенсоры используют, главным образом, для определения реакционноспособных (электроактивных) веществ, способных электрохимически восстанавливаться или окисляться на индикаторном электроде миниатюрной электрохимической ячейки, которая генерирует аналитический сигнал. В качестве индикаторных электродов служат инертные электроды (Р1, Р^ Аи, Ag), химически активные (Си, 1п, 8п) или модифицированные комплексными соединения, а также ионселективные электроды. Электролиты могут быть жидкими (р-ры КС1, И2804, буферные растворы), твердыми (А1203 и др.), загущенными; применяют также полиэлектролиты [2].
К электрическим сенсорам относятся полупроводники с электронной проводимостью на основе оксидов металлов (8п, 2п, С4 Сг, Т1, V, W и др.), органические полупроводники (например, фталоцианины) и полевые транзисторы. Измеряемыми величинами являются проводимость, разность потенциалов, заряд или емкость, изменяющиеся при воздействии определяемого вещества
[3].
Принцип работы магнитного сенсора основан на изменении характеристик чувствительного элемента при воздействии внешнего магнитного поля.
Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсо-
ров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах:
1) поглощения света;
2) отражения первичного (падающего) светового потока;
3) люминесценции.
При этом используются зависимости оптических свойств сред (коэффициентов преломления, отражения и др.) от концентраций определяемых веществ.
Оптические химические сенсоры имеют ряд преимуществ над другими химическими сенсорами: они нечувствительны к электромагнитным и радиационным полям, способны передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния и имеют невысокую стоимость.
В масс-чувствительных, или гравиметрических, сенсорах в качестве преобразователя используются пьезокристаллы (пьезокварц) [4]. Изменение массы пьезокристалла в результате селективной сорбции определяемого вещества на полимерной пленке, нанесенной на его поверхность или на привитом к поверхности слое рецепторных молекул, приводит к изменению частоты колебаний пьезокристалла.
Биосенсоры состоят из двух принципиальных функциональных элементов: биоселектирующей мембраны, использующей различные биологические структуры, и физического преобразователя сигнала (трансдьюсера), трансформирующего концентрационный сигнал в электрический.
Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала. В качестве биоселектирующего материала используют все типы биологических
структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты, живые клетки [5].
В течение последних нескольких лет интерес к развитию сенсоров носит экспоненциальный характер. Можно обоснованно прогнозировать, что в самом ближайшем будущем мы окажемся свидетелями появления целого семейства устройств муль-тисенсорного типа, интегрированных в портативные приборы специального назначения. По своим основным техническим параметрам такие устройства не будут уступать приборам современной аналитики. В значительной своей части данные приборы будут ориентированы на анализ воздушных проб, хотя сейчас уже интенсивно прорабатываются идеи, связанные с созданием мультисенсорных анализаторов различных водных образцов.
Литература
1. Егоров А.А. Датчики: принципы работы и области применения // Журнал радиоэлектроники. - 2009. -№3. - С. 82-89.
2. Богдановская В. А. Электрохимические сенсоры // Итоги науки и техники, сер. Электрохимия. - 1990. - Т. 31.- С. 34-37.
3. Колотуша С.С. Малогабаритные газоанализаторы. Современное состояние и тенденция развития // Аналитические приборы и приборы для научных исследований. - 1989. - №.2. - С. 12 - 15.
4. Кучменко Т.А. Применение метода пьезокварцевого микровзвешивания в аналитической химии // Воронеж: изд. Воронежской государственной технической академии. - 2001. - 280 С.
5. Варфоломеев С.Д. Биосенсоры // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №1. - С. 45-49..
Воронежский государственный технический университет
CHEMICAL SENSOR CONTROLS IN ECOLOGICAL MONITORING SYSTEM I.G. Kazm^, L.T. Ryazantsevа, V.I. Fedjanin
In given article chemical sensor controls as new analytical devices in the ecological monitoring system are considered, allowing to receive and process the express information on a chemical compound of those or other objects
Key words: sensor, ecological monitoring, express information
