электрохимические сенсоры
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ
устройства, в которых аналит. сигнал обеспечивается протеканием электрохим. процесса. Предназначены для качеств. и количеств. анализа хим. соед. в жидких и газообразных средах. По сравнению с обычными аналит. приборами отличаются портативностью, простотой конструкции, относительно низкой стоимостью. Э. с. составляют наиб. разработанную и широко используемую группу среди устройств, в которых аналит. сигнал обусловлен хим. взаимод. в анализируемой среде (см. сенсоры химические). Различают потенциометрич., амперометрич., кондуктометрич., импедансометрические Э. с. Аналит. сигналами служат, соотв.: потенциал индикаторного электрода (при нулевом токе через электрохим. ячейку); ток, протекающий через ячейку при заданном значении электродного потенциала; электропроводность раствора электролита; электрохим. импеданс системы, представляющий собой электрич. эквивалент определенного сочетания сопротивлений и емкостей в электрохим. цепи (см. вольтамперометрия, импедансный метод).
Э. с. используют гл. обр. для определения реакционноспо-собных (электроактивных) веществ, способных электрохимически восстанавливаться или окисляться на индикаторном электроде миниатюрной электрохим. ячейки, которая генерирует аналит. сигнал. В качестве индикаторных электродов служат инертные электроды (Pt, Pd, Au, Ag), химически активные (Cu, In, Sn) или модифицированные комплексными соед., а также ионселективные электроды. Электролиты м. б. жидкими (растворы KCl, H2SO4, буферные растворы), твердыми (ZrO2, Al2O3, Sb2O5 * nH2O и др.), загущенными; применяют также полиэлектролиты.
В совр. Э. с. чувствит. элемент (трансдьюсер) по своей сути представляет гальванич. элемент, предложенный Л. Кларком (1953), в котором два электрода и раствор электролита отделены от анализируемой среды полупроницаемой мембраной.
Рис. 1. Полярографический электрохимический детектор кислорода (пояснения в тексте).
Напр., в кислородном амперометрич. сенсоре (рис. 1) внутри цилиндрич. корпуса 1 расположены индикаторный электрод 2 из платины и анод 3 из хлорида серебра (он же электрод сравнения). Электролит (водный раствор KCl) заливается в резервуар 4 и образует пленку 5 толщиной ок. 10 мкм. Полимерная мембрана 6 (полиэтилен, полипропилен, фторопласт, целлофан и др.) отделяет электролит от анализируемой среды (вода, газ), из которой кислород диффундирует через мембрану внутрь элемента и восстанавливается на катодно-поляризованном индикаторном электроде (реакция O2 + 4е− + 4H+ = 2H2O). Ток восстановления определяется скоростью диффузии O2 сквозь мембрану. Скорость, в свою очередь, зависит от толщины и проницаемости мембраны. Катодная поляризация индикаторного электрода осуществляется как от постороннего источника тока, так и с помощью растворимого анода (гальванич. сенсоры). Информативным параметром является предельный диффузионный ток при постоянном потенциале индикаторного электрода. Такие Э. с. имеют, как правило, линейную зависимость электрич. сигнала от парциального давления O2 (или др. электроактивного газа), что обеспечивает более высокую точность определения по сравнению, напр., с потенциометрич. Э. с., в котором информативный параметр — равновесный (или квазиравновесный) электродный потенциал — имеет логарифмич. зависимость от содержания газа. Селективность Э. с. определяется выбором подходящего материала электрода и рабочей области потенциалов. При анализе смеси газов необходимо, чтобы электрохим. реакции посторонних компонентов либо не имели места на данном электроде, либо протекали в области более высоких потенциалов.
Э. с. позволяют проводить анализ газообразных и жидких сред, в т. ч. суспензий, на содержание O2, O3, H2, Cl2, H2S, оксидов N, С, S, причем без всякой пробоподготовки. Возможно определение концентраций, как больших (в случае выбросов, утечек загрязняющих газов и т. д.), так и малых — при контроле ПДК. Осн. эксплуатац. характеристики Э. с.: диапазон концентраций, чувствительность, селективность, быстродействие (время установления 90%-ного уровня сигнала), ресурс работы, отношение сигнал/шум. Диапазон концентраций H2 и O2 составляет от 0 до 100% по объему, Cl2, SO2, H2S, CO — от 0,2 до 200 мг/м3 при быстродействии от 1 до 30 с.
Отдельно выделяют Э. с. для анализа биол. сред (биосенсоры). На индикаторном электроде биосенсоров закрепляется мембрана из целлофана с иммобилизованным ферментом (глюкозооксидаза, тирозиназа, фенолоксидаза, лакказа и др.). Определяют вещества, которые изменяют скорость ферментативных реакций: субстраты, ингибиторы, сами ферменты (см. ферментативные методы анализа). Биосенсоры позволяют с высокой селективностью проводить автоматизир. анализ многокомпонентных систем на глюкозу, холестерин, мочевину, мочевую кислоту, аминокислоты и др. вещества, содержание которых варьирует от 0,05 мкг/мл до 1 мг/мл. Налажен пром. выпуск Э. с. для контроля содержания глюкозы в крови. Перспективна разработка иммуноэлектрохим. сенсоров, в которых электрич. сигнал преобразуется специфич. взаимодействием антиген — антитело.
Рис. 2. Схема электрохимического сенсора, изготовленного методом фотолитографии (пояснения в тексте).
Перспективным для серийного производства Э. с. считается формирование электродного узла чувствит. элемента с использованием микроэлектронных технологий. На рис. 2 показан единичный чип, полученный методом фотолитографии. На кремниевой пластине длиной 3 мм, шириной 0,8 мм и толщиной 0,38 мм размещена трехэлектродная электрохим. система: индикаторный электрод из Pt (1), вспомогат. электрод из Pt (2) и хлорсеребряный электрод сравнения (3).
Лит.: Богдановская В. А. [и др.], в кн.: Итога науки и техники, сер. Электрохимия, т. 31, М., 1990; Тарасевич М. Р. [и др.], там же, т. 35, М., 1992.
Г. В. Жутаева
