Оптические химические сенсоры

Структуры новейших биосенсоров построеных на базе микротрубок, рисунок с http://aspbs.com/jnn.html (кликните картинку для увеличения)

Структуры новейших биосенсоров построеных на базе микротрубок, рисунок с http://aspbs.com/jnn.html (кликните картинку для увеличения)

23.03.2008 (06:13)
Просмотров: 16585
Рейтинг: 1.27
Голосов: 33

Теги:
детектор, сенсор, биосенсор, микротрубка, нанотехнология,
Естественные науки >> Химия






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Область исследований оптических химических сенсоров - это быстро растущая область исследований за последние 30 лет. Они являются частным случаем химических сенсоров. Самым подходящим определением химических сенсоров, является, так называемое "Кэмбриджское определение", которое звучит так: "Химические сенсоры - это миниатюрные устройства, которые позволяют получать информацию за фактическое и настоящее время о присутствии особых веществ или ионов в данной равновесной среде".

К настоящему времени разработано огромное количество самых разнообразных химических сенсоров. Началом истории химических сенсоров можно считать конец XIX - начало XX века. В это время появился прообраз катарометра (1880 г.), который использовался для определения содержания водорода в водяном паре, двухэлектродная ячейка Кольрауша (1885 г.), металлические электроды Нернста (1888 г.) и стеклянный электрод Кремера (1906 г.). В конце XIX - начале XX вв. под сенсорами (слово "сенсор" от английского слова sense - чувство, ощущение) понимали портативные устройства для определения химического состава среды. Типичная конструкция сенсора включала чувствительный элемент и преобразователь.

В 50-х годах XX в. аналитическое приборостроение достигло такого уровня, что стало возможным создание проточных методов анализа. В 1952 г. Мартином и Джеймсом был предложен газовый хроматограф. Появилась острая необходимость в детекторах - приборах, которые позволили бы в автоматическом режиме определять концентрацию вещества в потоке газа или жидкости.

Миниатюрность и относительно небольшие размеры сенсоров позволяет создавать их наборы в небольшом объеме. Так, на одном полупроводниковом кристалле можно разместить несколько чувствительных элементов или в небольшом объеме несколько самостоятельных сенсоров. Таким образом, появилась возможность создания "лаборатории на чипе", снабженной микропроцессором для обработки результатов анализа.

Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах:
  1. поглощения света (абсорбция);
  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. Из оптических химических сенсоров перспективны сенсо­ры на основе волоконной оптики.В волоконно-оптических сенсорах (ВОС) на торце световода закрепляется (иммобилизуется на каком-нибудь носителе) реагентсодержащая фаза (РСФ). Характеристика материала световода определяет оптический диапа­зон и соответственно аналитические возможности всего устройства. Если оптическое волокно изго­товлено из кварца, то такой ВОС работает в ши­рокой области спектра, включая ультрафиолетовую его часть. Для стекловолокна область длин волн охватывает лишь видимую область спектра. Если оптоволокно изготовлено из полимерного материала (такие устройства имеют невысокую стоимость), то диапазон длин волн, в которой работает ВОС, находится за пределами более 450 нм.

Используют как одиночные оптические волокна, так и пучки из многих оптических волокон. Оптические волокна позволяют осуществить передачу оптических сигналов на очень большие расстояния и, следовательно, идеальны дня тех случаев, когда объект анализа удален от исследователя. Кроме того, их можно изогнуть (однако угол изгиба не должен быть слишком острым), а поэтому их можно использовать в самых разнообразных оптических светочувствительных устройствах, таких, как проточные ячейки для непрерывного мониторинга.

Оптосенсоры могут быть обратимыми и необратимыми. Сенсор обратим, если РСФ не разрушает­ся при ее взаимодействии с определяемым веществом. Если часть реагента потребляется в ходе определения, сенсор работает необратимо. На рис. приведена схема формирования отклика обратимого ВОС для определения pH среды, основанного на поглощении света. Устройство такого сенсора явля­ется достаточно простым: два пластиковых волокна вмонтированы в целлюлозную трубочку, содержа­щую краситель фиолетовый красный, иммобилизо­ванный с помощью ковалентного связывания на полиакриламидных микрошариках. Кроме этих микрошариков внутрь трубочки помещены такого же размера шарики из полистирола для лучшего рассеяния света. Через одно волокно свет от вольфрамового источника излучения входит, а через дру­гое выходит. Интенсивность выходящего потока света измеряется детектором, настроенным на со­ответствующую область длин волн. Пробка на торце трубочки удерживает РСФ механически и препят­ствует ее взаимодействию с определяемым компо­нентом в торцевой части. Подобный ВОС может быть использован и для определения концентрации O2. В этом случае сигнал связан с тушением флуо­ресценции реагента при взаимодействии с кислоро­дом. Такого типа ВОС могут быть использованы и для определения pH в живом организме.

Необратимые ВОС 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. На рис. также показана схема работы необратимого ВОС 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.
Работа обратимого (слева, 1 - падающее излучение, 2 - детектируемое) и необратимого волоконно-оптических химических сенсоров (справа). Кликните картинку для увеличения.

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


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.

Нравится


Николай Семенишин

Источники:
  • Chem. Rev. 2008, 108, 400-422
  • Физ.-хим. кинетика в газовой динамике, 2008, 6, 1-17.
  • Соросовский образовательный журнал, 1998, 72-76.



самое популярное

Элитные памятники заказать элитный памятник www.akimshmelev.ru.



Rambler's Top100