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.