Химические датчики

Работа обратимого (слева, 1 -падающее излучение, 2 - детектируемое) и необратимого волоконно-оптических химических сенсоров (справа).

 
 
ВОС также классифицируют на активные и пассивные сенсоры. Пассивные сенсоры состоят из такого материала, который не влияет на оптические свойства волокна. В активных сенсорах, наоборот, волокна модифицируются материалом, который придает существенную аналитическую чувствительность волокнам. Например, покрытие волокна аналитически-чувствительным индикатором методом плакирования. В этом случае оптические свойства волокна в некотором роде модулированы в присутствии анализируемого вещества. 

 
 
ВОС также классифицируют на активные и пассивные сенсоры. Пассивные сенсоры состоят из такого материала, который не влияет на оптические свойства волокна. В активных сенсорах, наоборот, волокна модифицируются материалом, который придает существенную аналитическую чувствительность волокнам. Например, покрытие волокна аналитически-чувствительным индикатором методом плакирования. В этом случае оптические свойства волокна в некотором роде модулированы в присутствии анализируемого вещества. 

Необратимые оптроды из-за расходования РСФ имеют ограниченный срок службы. Однако его можно продлить заменой РСФ на новую фазу. Стабильный сигнал от этих ВОС может быть получен лишь в условиях стационарного массопереноса определяемого компонента в зону его взаимодействия с РСФ. Любая помеха, нарушающая массоперенос, дает ошибку в показаниях ВОС. Обратимые и необратимые ВОС отличаются друг от друга так же, как потенциометрические ХС от амперометрических. Для последних условия массопереноса в зону реакции с чувствительным слоем определяют стабильность отклика. На рис. 4 показана схема работы необратимого оптрода на кислород. Определяемый компонент диффундирует через селективную мембрану с соответствующим размером пор в полость, содержащую иммобилизованный флуоресцирующий краситель. Его свечение гасится в присутствии O2 пропорционально парциальному давлению кислорода. Степень гашения фиксируется соответствующим устройством. Если резервуар с РСФ достаточно велик, то потребление реагента незначительно и сенсорное устройство может служить долго.

Из других типов ХС следует упомянуть электрические (ЭС) и сенсоры, основанные на принципах пьезоэффекта. При конструировании ЭС на поверхность преобразователя-полупроводника наносится адсорбционный слой специального материала, дающий отклик на присутствие определяемого компонента. Для изготовления полупроводниковой части этих ЭС используют различные оксиды металлов (SnO2 , In2O3 , Nb2O5 в ЭС на оксид углерода, аммиак). Принцип действия таких ХС основан на изменении их электрической проводимости в присутствии молекул определяемого газа. В воздухе на нагретой поверхности оксидного полупроводникового материала происходит хемосорбция молекул кислорода. При этом образуются отрицательно заряженные ионы O2 с локализацией на них электронов из зоны проводимости полупроводника. Предполагается, что электропроводность полупроводникового слоя в воздухе определяется степенью заполнения поверхности хемосорбированным кислородом. В присутствии определяемого газа на поверхности полупроводника происходит окисление молекул этого газа. При этом степень заполнения поверхности молекулами кислорода изменяется пропорционально концентрации определяемого газа. Введением в композицию металлоксидных сенсоров легирующих добавок добиваются высокой селективности отклика. Например, легирование оксида олова платиновой или палладиевой чернью заметно повышает чувствительность сенсора к парам этанола. Эти сенсоры могут быть изготовлены по технологии микросхем, когда чувствительный слой формируется на одном кристалле вместе с электрической цепью усилителя и детектора, что позволяет обрабатывать аналитический сигнал сенсора непосредственно в месте его возникновения. Существуют подобные ЭС на O2 , NOх , H2S, CO, H2 , углеводороды, позволяющие определять их содержание на уровне 10- 5 %.

Использование принципа пьезоэффекта для формирования сигнала сенсора можно продемонстрировать на примере ХС на пары ртути. Известно, что между изменением частоты колебаний кварцевого пьезорезонатора и массой адсорбированного на его поверхности вещества существует линейная зависимость:

dF = - 2,3 " 106F 2dm / S,

где F - резонансная частота колебаний пьезоэлемента, МГц ; S - площадь электрода пьезоэлемента, см2; dm - масса адсорбированного на поверхности электрода вещества, г.

Если пластину кварца покрыть тончайшим слоем золота, которое легко образует амальгаму под воздействием паров ртути, то при измерении резонансной частоты такого устройства можно определить массу ртути на пластинах, а следовательно, и концентрацию ее паров. В случае возникновения необходимости определять другие компоненты в газовой фазе используют соответствующие химические реагенты, дающие селективный отклик на поверхности резонатора в присутствии этих веществ. Независимо от типа сенсоров к ним предъявляют высокие требования. Они должны обладать высокими селективностью и чувствительностью определения. Так, нижняя граница определяемых содержаний с использованием ЭС лежит в пределах 10- 4-10- 6 %, а в отдельных случаях - еще ниже.

 

Встраиваемый в смартфон химический датчик

Устройство отличается компактностью, дешевизной и высокой скоростью работы. Оно позволит гражданам и службам безопасности оповещать органы по нейтрализации опасных химикатов. Датчик пока что внешний. Но это, как говорят в НАСА, вопрос времени. (Фото Dominic Hart / NASA.)

Разработка физика из Исследовательского центра НАСА имени Эймса Цзина Ли и его коллег представляет собой чип размером с почтовую марку. Его 64 наносенсора способны выявлять содержащиеся в воздухе аммиак, газообразный хлор, метан и другие вещества в низких концентрациях.

Устройство анализирует и передаёт собранные данные с помощью приложения для iPhone. Сейчас его необходимо подключать к разъёму в нижней части корпуса, но исследователи рассчитывают интегрировать датчик в электронику аппарата.

Специалисты НАСА работают по заказу Министерства внутренней безопасности США (DHS). Технология Cell-All, которую намерено создать ведомство, должна получить массовое распространение среди полицейских, пожарных и других сотрудников служб быстрого реагирования и «полюбиться» населению. С помощью встроенных в мобильное устройство энергоэффективных датчиков сообщить о химической угрозе сможет даже пенсионер или подросток, поясняет технический директор Агентства перспективных разработок в сфере внутренней безопасности DHS Стивен Дэннис.

Идентификация опасного вещества и автоматическая отправка уведомления властям занимают не более минуты. Заказчики Cell-All подчёркивают, что, во-первых, обыватели могут использовать технологию для личных нужд, а во-вторых, отправка сообщения является анонимной и никоим образом не нарушает частную жизнь пользователя.

На презентации системы 28 сентября в пожарном департаменте Лос-Анджелеса устройство г-на Ли и его коллег без труда обнаружило угарный газ. Помимо НАСА, свой Cell-All-прототип представили компании Qualcomm и Synkera Technologies.

 

Заключение

Химическое распознавание определяемого вещества с помощью соответствующих сенсорных устройств можно рассматривать как общую проблему, в которой биосенсоры представляют собой хотя и новый (в чувствительном слое используется биологический материал), но все же частный случай. Биосенсоры же как особые устройства для решения задач охраны окружающей среды и здоровья человека уже были рассмотрены ранее (см.: Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитический устройств // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 12). Химические сенсоры позволяют решать большее число аналитических задач.

Последние же успехи в области создания новых сенсоров, как химических, так и биологических, связаны с созданием так называемых одноразовых электродов. Как и одноразовый медицинский инструментарий, после употребления их выбрасывают или утилизуют. Стоимость таких ХС невысока, поскольку они могут быть изготовлены по планарной технологии в большом количестве. Примером могут служить ЭХС, напечатанные принтером. Так, с использованием программ машинной графики можно создать матрицу документа, представляющего собой чертеж ЭХС, а затем напечатать на листе формата A4 несколько сот таких сенсоров (так называемые screen-printed электроды). Для реализации этой технологии требуются совсем незначительные изменения в технологии периферийных устройств ПК: как правило, ограничиваются изменением типа расходных материалов, а именно применяют углеродсодержащие чернила и носитель на керамической или пластиковой основе, хотя возможно и использование особой бумаги. Состав чернил полностью определяет свойства, то есть характер отклика screen-printed электрода. На обратимость реакций на таких электродах и величину сигнала влияют модификаторы, вносимые в состав чернил. Так же, как и в случаях, описанных выше, возможно изменение электрокаталитических свойств при модификации этих ЭХС различными диспергированными химическими соединениями. Число исследований в областях создания новых сенсоров и сенсорных методик анализа стремительно растет. Сенсоры являются мощным средством не только аналитической химии, но и диагностики в самом широком смысле этого слова - в технологии, медицине, экологии.

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Журнал аналитической химии. 1991. Т. 45, № 7.
2. Chem. Rev. 2008, 108, 400-422
3. Физ.-хим. кинетика в газовой динамике, 2008, 6, 1-17.
4. Соросовский образовательный журнал, 1998, 72-76.
5. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Муринов Ю.И. Вольтамперометрия с модифицированными и ультрамикроэлектродами. М.: Наука, 1994. 239 с.
6. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors // Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.