Химические датчики косвенного действия

Составные датчики основаны на химических преобразованиях, изменяющих состояние индикатора. Индикатором может быть изменение температуры, прозрачности, частоты колебаний и др. Для получения из индикатора электрического выходного сигнала требуется дополнительный преобразователь.

Тепловые датчики. Изменение внутренней энергии системы сопровождается выделением или поглощением тепла. Следовательно все эндо- и экзотермические реакции могут быть обнаружены пи помощи тепловых детекторов. Датчики для детектирования реакций основаны на принципе микрокалориметрии, заключающейся в следующем. На температурный зонд наносится покрытие, реагирующее на определенное химическое вещество. Зонд измеряет количество тепла, выделяющегося в процессе протекания реакции между средой и покрытием зонда.

Рис. 18.8 Схема химического теплового датчика.

Оптические химические датчики основаны на взаимодействии электромагнитных волн с исследуемым образцом. В результате изменяются некоторые свойства излучений, такие как интенсивность, поляризация, скорость света и др. Модуляция длины волны излучения происходит из-за присутствия в образце определенных химических веществ. Оптические модуляции сигналов исследуются методами спектрометрии, позволяющей получать различную информацию о микроструктурах, динамических процессах в полимерах.

Хемилюминесцентные датчики при воздействии на них излучением в присутствии некоторых веществ начинают излучать свет. Это используется для детектирования различных газов (углекислый газ, озон). Детектирование исходящего излучения проводится при помощи фотодетекторов и фотоумножителей.

Рис. 18.9 Упрощенная схема оптического детектора углекислого газа.

Рис. 18.10 Оптоволоконный аналитический химический датчик.

Существуют разнообразные конструкции оптоволоконных химических датчиков, цель разработки которых заключается в повышении их избирательности. Например, свет от источника излучения разделяется на два луча, один из которых проходит через реагент, а другой остается неизменным. После этого лучи подаются на фотоприемники для формирования разностного сигнала.

Гравиметрические датчики (микровесы) – это химические датчики, в которых очень маленькие изменения массы, происходящие из-за адсорбции молекул, приводит к изменению механических свойств системы. Такие датчики относятся к физическим устройствам, так как в них не протекают химические реакции. Для этого применятся акустические датчики. Принцип действия таких датчиков заключается в массчувствительности пьезорезонаторов (10 нг/см² на 1Гц).

Разновидностью гравиметрических датчиков являются ПАВ-датчики.

Рис. 18.11 ПАВ детектор концентрации газовых сред.

Биохимические датчики (биодетекторы) – это специальный класс химических датчиков. Эволюция развития живых существ привела к созданию очень чувствительных органов, реагирующих на присутствие в воздухе даже нескольких молекул определенных веществ. Чувствительные элементы, созданные на основе биологически активных материалов, хотя и не обладают такой высокой чувствительностью, но в комбинации с другими преобразователями могут качественно и количественно определить ряд биологических компонентов, такие как: простейшие организмы, клетки, ткани, органеллы, мембраны, ферменты, рецепторы, антитела и нуклеиновые кислоты. По существу, биохимические датчики являются биореакторами, сформированными на основе обычных химических детекторов. Поэтому их принцип действия базируется на процессах диффузии исследуемых растворов, на анализе продуктов реакции и на кинетике процессов.

Особенности построения и работы биодатчиков:

• биоматериал должен находиться на поверхности чувствительного элемента и обеспечивать контакт с исследуемой средой;
• продукты реакции должны беспрепятственно диффундировать с поверхности биоматериала;
• исследуемый раствор и продукты реакции не должны менять свойства биоматериала.

Большинство биологически активных материалов являются протеинами или содержат протеины в своих структурах. Для прикрепления протеинов на поверхности детектора применяются два метода: связывание или физическое удержание. Адсорбция и установление ковалентных связей являются двумя вариантами метода связывания.

Энзимные (ферментные) датчики обладают высокой избирательной способностью. Энзимы являются катализаторами – протеинами с высоким молекулярным весом, найденным в живых организмах. Они обладают двумя важными свойствами:

• обеспечивают высокую селективность при соответствующем выборе подложки;
• повышают скорость химических реакций.

Поэтому датчики, реализованные на их основе, имеют высокую избирательную способность и большой выходной сигнал. Максимальная скорость реакции пропорциональна концентрации ферментов.

Рис. 18.12 Устройство энзимного датчика.

Роль чувствительного элемента может выполнять тепловой, электрохимический или оптический преобразователь. Энзимы работают только в водной среде, поэтому размещаются в гидрогеле.

Принцип действия таких датчиков заключается в том, что ферменты (катализаторы), удерживаются в специальном слое, вступают в реакцию с элементами подложки, проникающими в этот слой за счет процессов диффузии. Продукты реакции диффундируют в исследуемый раствор. Все остальные участники реакции попадают в реакционный слой и выводятся из него диффузионным способом. В результате протекающих реакций меняются свойства энзимного слоя, что и регистрируется чувствительным элементом.