сенсоры химические

СЕНСОРЫ ХИМИЧЕСКИЕ (от лат. sensus — чувство, ощущение)

чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие аналит. сигнал, зависящий от концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси. Неотъемлемой частью С. х. является преобразователь энергии хим., биохим. или физ. процессов, лежащих в основе определения, в электрич. сигнал. Последний передается в соответствующее электронное устройство для дальнейшей обработки.

С. х. предназначены для прямого определения конкретного хим. вещества в заданном диапазоне содержаний при фиксир. способах введения пробы и обработки полученной информации. Они могут входить в состав аналит. приборов (или др. анализирующих или контролирующих систем), включающих также устройство для ввода пробы, обработки сигнала и выдачи сведений о концентрации определяемого компонента. Для повышения избирательности определения на входе иногда размещают селективные мембраны. Достоинства таких приборов: малые размеры (ок. 100x60x20 мм) и масса (100–200 г), небольшая потребляемая мощность, способность работы в автоматич. автономном и, часто, непрерывном режиме.

По принципу работы и в зависимости от вида аналит. сигнала иногда выделяют электрохимические (потенцио-метрич., вольтамперометрич., кулонометрич., кондуктомет-рич.), оптические (фотометрич., люминесцентные, оптотермич.), электрические сенсоры, а также сенсоры, чувствительные к изменению массы и некоторые др.

В основу работы электрохимических сенсоров положены превращения определяемого компонента в миниатюрной электрохим. ячейке, которая генерирует аналит. сигнал. Используют инертные, химически активные или модифицированные, а также ионоселективные электроды, в т. ч. на основе халькогенидных стекол; электролиты м. б. жидкими (растворы H₂SO₄) или твердыми (ZrO₂, A1₂O₃, CsHSO₄ и др.). Такие С. х. характеризуются высокой избирательностью, чувствительностью, возможностью определения хим. компонентов в относительно широком диапазоне содержаний, быстродействием. Они применяются для определения оксидов азота, углерода и серы, а также гидразина, фосфина, кислорода, метана и др. веществ.

Оптич. сенсоры основаны на измерении поглощения или отражения первичного светового потока, люминесценции или теплового эффекта при поглощении света. Такие С. х. имеют чувствительный слой, роль которого может выполнять поверхность волокна световода или иммобилизованная на световоде фаза, содержащая подходящий реагент. Волоконно-оптич. световоды на основе кварца, германатных, фторид-ных, халькогенидных стекол, кристаллов галогенидов таллия, серебра или цезия и полимерных материалов позволяют работать в ИК, видимой и УФ диапазонах спектра. Созданы оптические С. х. для определения pH растворов, ионов К⁺ и Na⁺ , CO₂, O₂, глюкозы и др. веществ.

К электрическим С. х. относятся полупроводники с электронной проводимостью на основе оксидов металлов (Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, V, W и др.), орг. полупроводники (напр., фталоцианины) и полевые транзисторы. Измеряемыми величинами являются проводимость, разность потенциалов, заряд или емкость, изменяющиеся при воздействии определяемого вещества. Наиб. перспективны полевые транзисторы, в которых металлич. контакт затвора (управляющего электрода) заменен химически чувствительным слоем (напр., из Pd или Pt) и электродом сравнения. Взаимод. определяемого компонента с материалом слоя вызывает изменение электрич. поля в области затвора и, следовательно, порогового напряжения и тока в транзисторе. Применение т. наз. ионочувствительных покрытий (напр., валиномицина) позволяет получать ионоселективные полевые транзисторы. Для пром. производства полупроводниковых С. х. применяют планарную технологию, что обеспечивает создание микромодулей, включающих чувствит. элементы, систему тер-мостатирования и усилитель электрич. сигнала. Главные преимущества сенсоров на основе полевых транзисторов: малые габариты (поверхность 1–2 мм²) и масса, быстродействие (время, необходимое для анализа, 1–10 с), возможность определения сразу неск. компонентов анализируемой смеси. Электрич. сенсоры применяют, в частности, для определения ионов К⁺, O₂, оксидов азота, H₂S, CO, H₂, углеводородов с пределами обнаружения 10⁻⁴–10⁻⁵% по объему.

Действие сенсоров, чувствительных к изменению массы, основано на изменении частоты колебаний пьезорезона-торов или скорости распространения поверхностно-акустических волн при селективной сорбции определяемого вещества соотв. на электродах или на межэлектродных поверхностях. Сорбционными покрытиями служат Au, Ag, полимеры, орг. соединения (амины, карбоновые кислоты и их соли), разнообразные фазы, используемые в хроматографии. Такие С. х. применяют для определения SO₂, Hg, NH₃ и некоторых фосфорорг. соединений.

Разновидностью С. х. являются биосенсоры. Они представляют собой комбинир. устройство, состоящее из биохимически или биологически активного компонента (биокомпонента) и электронного преобразователя. В качестве биокомпонента нашли применение ферменты, антитела, антигены, микроорганизмы, биол. мембраны, а в качестве преобразователя-электроды, полевые транзисторы, тер-мисторы и др. Осн. область применения биосенсоров-анализ разл. жидких объектов в медицине, биотехнологии, пищ. и хим. промышленности. Недостатки биосенсоров: невысокая стабильность, трудность получения биоорг. материалов постоянного состава, чувствительность к действию высоких и низких температур, бактерицидных загрязнений и др.

С. х. и приборы на их основе широко используют, напр., в энергетике, робототехнике, транспорте, медицине, сельском хозяйстве, быту, при решении экологич. проблем. Применение С. х. открывает новые возможности для диагностики материалов и контроля технол. процессов.

^{Лит.: Колотуша С. С. [п др.], Малогабаритные анализаторы. Современное состояние и тенденции развития, М., 1989; Власов Ю. Г.. Мясоедов Б. Ф., "Журн. аналит. химии", 1990, т. 45, в. 7, с. 1253–54; Chemical sensors, ed. by T. Edmonds, Glasgow-L.-N. Y.. 1988.}

_{Б. Ф. Мясоедов}