49884

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ

Курсовая

Физика

Характеристики химических и биологических сенсоров. Устройство и принципы работы химических сенсоров. Устройство и принципы работы электрохимических сенсоров. Устройство и принципы работы биологических сенсоров.

Русский

2014-01-11

168.83 KB

20 чел.

                                               ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..4

1  ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ………...……………….7

  1.1 Характеристики химических и биологических сенсоров……………….7

  1.2 Распознающие элементы……………………………………………….......9

2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТА……….............15

   2.1 Устройство и принципы работы химических сенсоров……………......15

   2.2 Устройство и принципы работы электрохимических сенсоров…….....16

   2.3 Устройство и принципы работы биологических сенсоров………….....21

   2.4 Устройство и принципы работы оптических химических сенсоров…………………………………………………………………………..23

3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН……………………………………...28

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………....30

5 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ……...32

                                                 ВВЕДЕНИЕ

Необходимость развития и совершенствования биосенсоров связана с множеством процессов в современной науке и технологии. Биологические и химические сенсоры применяются для контроля окружающей среды, для оценки уровня промышленных загрязнений в воздухе и воде, для контроля безопасности производств, в клинической диагностике и во многих других областях. В последние годы в связи с проблемой мирового терроризма возникла потребность в сенсорах, способных обнаруживать взрывчатые вещества. Медицинские биосенсоры в скором времени позволят проводить лабораторные анализы быстро и надежно даже при отсутствии специальных навыков.

Химические (биологические) сенсоры – это тип аналитических устройств, которые служат для качественного и количественного определения химических (биологических) веществ. Обычно сенсор состоит из следующих частей (Рис.1):

                     

                     Рисунок 1 – Схема сенсора

                                                  

- Распознающий элемент (он также может быть назван рецепторным слоем) представляет собой вещество, которое способно селективно взаимодействовать с аналитом.

-  Трансдьюсер (англ. Transducer – преобразователь, датчик) преобразует химическое или биологическое взаимодействие в электрический сигнал.

- Система сбора и обработки данных служит для усиления и анализа сигнала и отображения результатов.

Биологические сенсоры отличаются от химических только тем, что они направлены на детектирование органических молекул, важных для живых организмов: высокомолекулярных, таких как белки, ДНК, и низкомолекулярных, например, глюкозы и мочевины. В данном обзоре обсуждаются основные распознающие элементы биологических сенсоров; как и в химических сенсорах, основное предъявляемое к ним требование – способность улавливать определенный аналит и не реагировать на посторонние вещества, присутствующие в образце.

Необходимо отметить, что разработка сенсоров является междисциплинарной задачей, которая требует участия широкого круга специалистов: физиков, инженеров, химиков, биологов, врачей, экологов. Кроме очевидных требований, предъявляемых к новым сенсорам, таких как простота эксплуатации, дешевизна, высокая точность, селективность и скорость анализа, добавляются еще требования миниатюризации (это связано с развитием нанотехнологий), иногда возможность работать в непрерывном режиме, а иногда даже – возможность внедрения в человеческий организм.                                                      

Используемые в биосенсорах трансдьюсеры чрезвычайно разнообразны. Возможно, наиболее часто применяются электрохимические преобразователи, в которых трансдьюсером является электрод, помещенный в исследуемый раствор. Оптические биосенсоры используют явления полного внутреннего отражения и поверхностного плазмонного резонанса. Гравиметрические сенсоры используют изменение массы при связывании аналита, они обычно основаны на акустических волнах или пьезокварцевых микровесах.

  1. ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ

        1.1 Характеристики химических и биологических сенсоров

         В данном разделе описаны параметры и характеристики биосенсоров как аналитических приборов. Все они используются и для описания химических сенсоров, которые чрезвычайно близки к биологическим по принципам действия и технической реализации.

         Как и любой научный прибор, каждый сенсор имеет допустимый диапазон температур, давлений и pH. Кроме того, каждый сенсор, который не только констатирует наличие аналита, но и измеряет его концентрацию, очевидно, характеризуется такими параметрами, как точность и воспроизводимость. Также важны такие параметры, как рабочий диапазон (тот диапазон концентраций, в котором работает метод измерений) и линейный диапазон. Для их определения требуется построить калибровочную кривую – зависимость величины сигнала от концентрации аналита, ее линейный участок называется линейным диапазоном. В некоторых типах сенсоров (например, в потенциометрических) величина сигнала пропорциональна логарифму концентрации.

        Чувствительность сенсора показывает отношение сигнала, выраженного, например, в вольтах, к концентрации аналита, которая вызвала этот сигнал. Более строго чувствительность определяется как максимальное значение производной величины отклика по концентрации. Следует отличать чувствительность от предела обнаружения (detection limit) – той минимальной концентрации аналита (или минимального количества вещества), которая может быть детектирована и измерена. Для современных сенсоров это значение может быть чрезвычайно малым. Так, например, в работе обсуждаются иммунологические сенсоры с пределом обнаружения 10-21 моль. В статье описана резонансная система нанометровых размеров, способная зарегистрировать 1 аттограмм (10-18 г) вещества, основанная на пьезорезистивном эффекте.

         Важнейшей характеристикой сенсора является селективность, она отражает способность детектировать определенный аналит и не реагировать на посторонние вещества. Для количественного определения селективности используются два основных метода. Первый предполагает построение калибровочных кривых не только для аналита, но и для посторонних примесей при одинаковых условиях эксперимента. В этом случае селективность выражается как отношение величины сигнала, вызываемого аналитом к величине сигнала, вызываемой примесью той же концентрации. При другом подходе в ячейку, уже содержащую аналит, вводят примеси в тех концентрациях, которых можно ожидать в реальных образцах, и выражают селективность как изменение сигнала в процентах. Второй метод дает более наглядное и практически удобное значение селективности, но он является более субъективным, т.к. зависит от диапазона концентраций, в котором производятся измерения.

          К временным характеристикам сенсоров относятся следующие: время отклика, время жизни и время регенерации. Время отклика необходимо для возникновения равновесия между анализируемым образцом и рецепторным слоем. Хотя оно должно быть сведено к минимуму, в некоторых методах, оно составляет порядка нескольких часов. Время жизни – это срок воспроизводимой работы сенсора, он ограничен деградацией рецепторного слоя. Иногда (например, в коммерческих сенсорах для определения глюкозы) используются одноразовые распознающие элементы. Время регенерации это время, которое требуется для восстановления работоспособности распознающего элемента. В заключение скажем, что для непрерывного монитринга часто требуется изготавливать сенсоры с проточными ячейками или зондами, которые вносятся в поток анализируемого вещества. Такие сенсоры особенно важны для контроля на производстве и мониторинга окружающей среды, их проектирование представляет собой сложную инженерно-техническую работу.

             1.2  Распознающие элементы

       Выше было сказано, что одной из основных характеристик биосенсоров является селективность. Обычно (хотя не всегда) селективность определяется свойствами распознающего элемента. Ниже рассматриваются основные типы рецепторных слоев и их особенности.

       Наиболее часто распознающими элементами биосенсоров являются ферменты – высокоспецифичные катализаторы биохимических реакций. В состав фермента входит одна или несколько белковых молекул, иногда присутствует небелковая часть. Каталитическая активность ферментов значительно выше, чем у любых искусственных катализаторов, ферменты увеличивают скорость реакции в 103-107 раз. Классический пример биосенсора, использующего ферментативный рецепторный слой это амперометрический сенсор на глюкозу с глюкозоксидазой (GOD). Возможно, это один из самых первых биосенсоров. В нем глюкоза окисляется до глюконовой кислоты с образованием перекиси водорода:

                Глюкоза+О2->глюконовая кислота+Н2О2.

           В разных модификациях может регистрироваться либо уменьшение концентрации кислорода, либо увеличение концентрации перекиси. Фермент GOD является сравнительно недорогим, при правильной упаковке одноразовый распознающий элемент может храниться около 6 месяцев.

          Иногда ферменты используются непосредственно в составе тканей организмов животных или растений. Например, обсуждается сенсор на дофамин (нейрогормон, биологический предшественник адреналина), использующий ткани грибов, иммобилизованные на электроде при помощи углеродной пасты. Преимущества использования тканей вместо очищенных ферментов состоят в следующем: ткани существенно дешевле, содержащиеся в них ферменты находятся в естественном окружении, поэтому они дольше и надежнее работают. Таким образом, использование тканей в биосенсорах решает проблемы деактивации и деградации ферментов при их иммобилизации, увеличивает стабильность ферментов. При этом существенным недостатком, который ограничивает спектр возможных применений тканей, очевидно, является их низкая селективность, связанная с присутствием большого количества посторонних ферментов. Тем не менее, использование тканей в рецепторных слоях в некоторых случаях позволяет радикально снизить себестоимость биосенсоров.

         К биосенсорам на основе тканей идеологически близки технологии с использованием клеток в качестве распознающих элементов. Клеточные биосенсоры наряду с ферментными занимают лидирующие позиции по степени разработки и внедрения. Необходимо отметить, что для многих клеток разработаны методы генной инженерии, позволяющие повысить выработку определенного белка и таким образом повысить эффективность работы сенсора.

        В обзоре рассматриваются клеточные биосенсоры, созданные с использованием технологий генной инженерии. При проникновении внутрь клетки аналит вызывает синтез легко детектируемого белка, например, флуоресцентного белка GFP. В число достоинств таких биоиндикаторов входят следующие: способность проводить анализ с пространственным разрешением порядка размера клетки (например, для анализа химического состава почвы), возможность быстрого обнаружения токсичных веществ, возможность измерять концентрации веществ в естественной среде, а не в пробе.

        Биосенсоры, использующие ферменты в рецепторном слое, иногда называют каталитическими. Существуют еще и аффинные биосенсоры (affinity biosensors), использующие антитела, нуклеиновые кислоты и рецепторы. Отличие между ними состоит в следующем (Рис. 2). В ферментативных сенсорах происходит реакция по общей схеме

                                             

Субстрат (S) связывается с ферментом (E), образуя комплекс ES, затем субстрат превращается в продукт (P) и высвобождается. Эта реакция описывается кинетикой Михаеэлиса-Мэттен. В случае аффинных биосенсоров в рецепторном слое происходит реакция вида

                                        

Рисунок 2 – Ферментативный и аффинный биосенсоры

         В таких реакциях не образуется новых продуктов, происходит связывание молекул А и В в комплекс АВ. Реакции этого типа также называют реакциями непродуктивного связывания. В общем случае, это приводит к ужесточению требований, предъявляемых к трансдьюсеру, т.к. акт связывания сложнее зарегистрировать. К аффинным биосенсорам относятся сенсоры на ДНК, на антигены и антитела и сенсоры с использованием рецепторов.

          Детектирование молекул ДНК основано на взаимодействии между комплементарными цепями. Природа этого взаимодействия – водородные связи между парами нуклеотидов. В ДНК-сенсорах рецепторный слой состоит из иммобилизованных одноцепочечных ДНК, которые улавливают из раствора комплементарные цепи. По данным, рекордно предел обнаружения ДНК был достигнут с использованием метода электрохимической хемилюминесценции и составил 10 аМ (10-18 М).

           Приготовление образцов ДНК для исследований является сложным и трудоемким процессом. После очистки пробы для увеличения количества молекул ДНК определенного типа используется процедура полимеразно-цепной реакции (ПЦР). По прогнозам авторов, развитие ДНК-биосенсоров позволит обходиться без специальных методов выделения ДНК из образца и ПЦР, и детектировать отдельные цепи в течение часа. В последние годы была создана технология ДНК-биочипов, которая позволяет вести анализ большого числа генов одновременно. Развитие ДНК-биосенсоров представляется крайне важным т.к., оно поможет в обнаружении патогенных микроорганизмов, мутаций, диагностике наследственных заболеваний, и во многих других областях. Необходимо отметить развитие методов анализа ДНК с целью идентификации личности.

           Антитела – это сложные белковые молекулы, построенные из нескольких субъединиц, вырабатывающиеся в организмах позвоночных в ответ на проникновение чужеродных агентов (антигенов), например, токсинов, вирусов или чуждых организму макромолекул. Циркулирующие в крови антитела связываются с антигенами, деактивируют их и выводятся из организма. Кроме того, связанные антитела служат метками для микроорганизмов, подлежащих уничтожению. Взаимодействие антиген – антитело считается наиболее селективным для применения в биосенсорах. С точки зрения физики, это взаимодействие осуществляется теми же по природе силами, что и взаимодействие фермента с субстратом: вандерваальсовыми силами, ионными, гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями, водородными связями. Сложность применения антител в биосенсорах состоит в том, что акт связывания антигена часто тяжело зарегистрировать. Это является общим недостатком аффинных биосенсоров и требует применения специальных методов, например, использования меток. Другая сложность состоит в том, что аффинные взаимодействия часто имеют высокие значения константы ассоциации, т.е. слабо обратимы, и использующие их распознающие элементы часто являются одноразовыми или требуют специальных методов регенерации. Например, для разрушения связи антиген-антитело иногда используются 10-100 мМ HCl или глициновый буфер pH 1.7-2.2.

          Рецепторы – это мембранные белки, способные связывать определенные лиганды и вызывать определенный физиологический отклик в ответ на акт связывания. Рецепторы обычно используются в биосенсорах в составе клеток, так как в очищенном виде они недостаточно стабильны. Авторы отмечают, что биосенсоры на основе рецепторов не получили широкого распространения. В работе для изучения активности фермента одновременно использовались методы регистрации аффинного взаимодействия и каталитической реакции. Белок бета-лактамаза, который иногда ответственен за устойчивость бактерий к антибиотикам, был иммобилизован на поверхности, кинетика образования монослоя контролировалась методом поверхностного плазмонного резонанса. Далее в систему вводился субстрат – нитроцефин, который под действием бета-лактамаз гидролизовался с образованием окрашенного продукта. Он регистрировался спектроскопически по изменению спектра поглощения. В аффинных биосенсорах часто используется метод меток и конкурирующего связывания. Для анализа образца в сенсор специально вводится некоторое количество меченого аналита. Метки могут быть различной природы, например, флуоресцентные или радиоактивные. Связывание меченого аналита, содержащегося в растворе в малой концентрации, очень чувствительно к концентрации немеченого аналита, которую требуется измерить. Между мечеными и немечеными молекулами аналита возникает конкуренция за связывание с рецепторным слоем. После того как в системе устанавливается равновесие, требуется измерить количество связанных и свободных меток и вычислить концентрацию аналита. Классический пример использования радиоактивных меток – радиоиммунологический анализ. В нем используется конкуренция между мечеными и немечеными антигенами за связывание с антителами. Флуоресцентные метки часто используются в биосенсорах с оптическими трансдьюсерами. В иммуноферментном анализе метками являются ферменты, которые ковалентно пришиваются к антигенам или антителам, они обнаруживаются при добавлении в систему субстрата.

        2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО СВОЙСТВ ОБЪЕКТА

         2.1 Устройство и принципы работы химических сенсоров

        Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.

        Химический преобразователь состоит 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 размещаться 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. Заметим, что к химическим сенсорам относятся также биосенсоры.

       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;

 • оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);

 • биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.);

 • и др.

     Остановимся кратко на работе некоторых типов электрохимических сенсоров, биосенсоров и интегрально-оптических химических сенсоров.

        2.2 Устройство и принципы работы электрохимических сенсоров

 

   В электрохимическом сенсоре определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода.

    Среди электрохимических сенсоров выделяют следующие:

  – потенциометрические,

  –  амперометрические,

  –  кондуктометрические,

  –  кулонометрические.

       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, которые 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. В этом и заключается суть потенциометрического метода.

          Следует отметить, что для измерения потенциала ячейки необходим нулевой ток. Практически, такое условие недостижимо, поскольку сам процесс измерения потенциала предполагает наличие небольшого тока. Но поскольку сила тока здесь находится в микроамперном диапазоне, то она незначительно искажает равновесный потенциал на поверхности. Таким образом, предположение о том, что потенциал измеряется по существу в условиях нулевого тока, достаточно корректно.

       Существуют различные виды ионоселективных электродов. Их классификация основана на различии селективных химических реакций, приводящих к образованию межфазного потенциала. Специфическое распознавание потенциометрическим химическим сенсором достигается благодаря химической реакции на поверхности сенсора. Таким образом поверхность электрода должна содержать реагент, который химически и обратимо взаимодействует с аналитом. Это достигается благодаря использованию ионоселективных мембран, которые представляют собой поверхность сенсора. В потенциометрических сенсорах используются четыре типа мембран:

    – Стеклянные мембраны. Такие мембраны селективны по отношению к таким ионам, как Н+, Na+ и NH4.

    – Мембраны из плохо растворимых неорганических солей. К мембранам этого типа относятся монокристаллические органической соли, например LaF3, или диски из спрессованного порошка неорганической соли или смеси солей, например, Ag2S/AgCl. Эти мембраны селективны по отношению к таким ионам, как F-, S2- и Сl-.

   – Полимерные мембраны с иммобилизованным ионофором. В этих мембранах ионоселективные комплексообразующие соединения или ионообменники иммобилизованы в полимерной матрице, например, в поливинилхлоридной.

   – Мембраны с иммобилизованными в геле или химически связанными с гелем ферментами. В мембранах этого типа используются высокоспецифичные реакции, катализируемые ферментами. Фермент содержится внутри матрицы или химически прививается на твердой поверхности.

         Благодаря достижениям в области микроэлектроники были разработаны ионоселективные полевые транзисторы. Они представляет собой видоизмененный полевой транзистор с изолированным затвором.

        Основная часть ионоселективного полевого транзистора – это полупроводник р-типа, в котором есть два участка, которые представляют собой полупроводники n-типа, называемые, соответственно, истоком и стоком. На поверхность полупроводника наносится металлооксидный изолятор, на который затем вместо металла затвора полевого транзистора наносят ионоселективную мембрану. Сила тока, проходящего между истоком и стоком, определяется входным напряжением.

          Исследуемый раствор с погруженным в него электродом сравнения контактирует с ионоселективной мембраной, что приводит к возникновению на поверхности мембраны потенциала, который является входным потенциалом, контролирующим силу тока между стоком и истоком. Сила тока зависит от мембранного потенциала который, таким образом, зависит от активности определяемых ионов в исследуемом растворе. Такие устройства чрезвычайно малы (< 1мм2) и широко используются для определения разнообразных веществ.

        Вольтамперометрия. Данный метод заключается в измерении силы тока в электрохимической ячейке как функции приложенного потенциала. Многие вещества окисляются или восстанавливаются при определенном потенциале, который характерен именно для данного вещества. Если потенциал зафиксирован на величине, соответствующей окислению или восстановлению определяемого вещества, то сила тока прямо связана с его концентрацией. На этом принципе основано действие амперометрических электрохимических сенсоров. Например, для измерения концентрации растворенного в воде кислорода используют кислородный амперометрический датчик. В данном датчике есть золотой или платиновый катод, отделенный от серебряного анода пластиковой оболочкой. Газопроницаемая мембрана, которая располагается на внешней стороне нижней поверхности электрода, пропускает внутрь молекулы небольшого размера. При погружении датчика в исследуемый образец воды молекулы кислорода диффундируют в тонкую пленку электролита, контактирующую с электродами. На катоде поддерживают потенциал -800 мВ относительно серебряного анода, и молекулярный кислород восстанавливается в соответствии с уравнением:

                                           O2 + H2 + 2e- = H2O2                                                  (1)

            Проходящий через ячейку ток измеряют и по его величине определяют концентрацию растворенного кислорода. Такой датчик необходимо калибровать, используя стандартные растворы с известной концентрацией растворенного кислорода.

            Селективность амперометрических химических сенсоров определяется главным образом природой материала поверхности электрода, а, следовательно, и величиной потенциала, при котором происходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента.

            Для повышения селективности отклика поверхность химических сенсоров модифицируют с помощью специальных соединений, которые осуществляют перенос электронов между электродом и определяемым компонентом. Операция закрепления модификатора - переносчика на поверхности химического сенсора называется иммобилизацией. При этом модификатор перестает быть подвижным, не вымывается анализируемым раствором и может работать в потоке жидкости. Модификация электродов для химических сенсоров удлиняет срок их службы.

         Чувствительность амперометрических электрохимических сенсоров, как правило, выше потенциометрических.

     Кондуктометрические сенсоры. Их действие основано на измерении электропроводности растворов. Такие электрохимические сенсоры используют, в частности, для определения концентрации CO2 в воздухе. В этом случае измеряется электропроводность водного раствора углекислоты, в котором, как правило, в результате ее диссоциации образуются ионы H+ в количествах, зависящих от парциального давления CO2 в воздухе. Различие в электропроводности между «холостым» раствором (без CO2) и анализируемым (с CO2) фиксируется как аналитический сигнал.

          Кулонометрические сенсоры. В основе работы этого типа электрохимических сенсоров лежит зависимость тока, протекающего через электрохимическую ячейку при контролируемом расходе анализируемого газа подающего на катод, от концентрации кислорода (при условии практически полной откачки кислорода из потока). Они менее известны, однако в ряде случаев точность измерения ими выше других видов электрохимических химических сенсоров.

                         

     2.3 Устройство и принципы работы биологических сенсоров

       Под термином биосенсор понимают устройство, в котором чувствительный слой содержит биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК. Этот слой непосредственно реагирует на присутствие определяемого компонента и генерирует сигнал, зависящий от концентрации этого компонента.

         Конструктивно биосенсор аналогичен остальным видам химических сенсоров и состоит из двух преобразователей (биохимического и физического) находящихся в тесном контакте друг с другом. При этом биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь позволяет зарегистрировать этот сигнал. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая к дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов.

          В качестве трансдьюсеров могут быть использованы любые из упомянутых в данной статье: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические, на поверхностных акустических волнах и интегрально-оптические.

          Действие биосенсоров основано на важнейших химических реакциях живых организмов: реакции антитело/антиген, фермент/субстрат, рецептор/гормон. Такие реакции используются для получения высоко селективных и чувствительных биосенсоров на конкретные определяемые вещества. Для иллюстрации высокоселективных реакций, протекающих между биологическими молекулами, предложен механизм, получивший название «ключ-замок».

          В биосенсорах узнающим реагентом обычно является макромолекула, иммобилизованная внутри мембраны, либо химически связанная с поверхностью, которая контактирует с раствором определяемого вещества. Между реагентом и определяемым веществом проходит специфическая химическая реакция. Это может быть либо прямое взаимодействие реагента с определяемым веществом, как в случае реакции антиген/антитело, либо каталитическое взаимодействие иммобилизованного фермента с определяемым веществом с образованием легко определяемого продукта.

        Большой интерес, например, представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорганизмов, служащих элементом так называемого микробного сенсора. В частности, амперометрический сенсор на аммиак на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий и кислородного электрода Кларка используется при решении вопросов охраны окружающей среды. Следует отметить, что в последнее время стал активно развиваться и применяться лихеноиндикационный мониторинг состояния воздушной среды. Методы лихеноиндикации основаны на индивидуальной реакции различных видов лишайников к действию загрязнителей атмосферы. Растянутая во времени ответная реакция данных организмов - биоиндикаторов даже на микродозы загрязнителей, проявляющаяся в морфологических изменениях, смене видового состава и невысокая собственная изменчивость обуславливают их широкое использование в качестве биоиндикаторов состояния воздуха. Результаты лихеноиндикационных исследований дают интегральную оценку степени загрязненности воздуха за длительный промежуток времени и могут служить хорошим дополнением к санитарно-гигиенической оценке условий среды обитания. Лишайники очень чувствительны к химическим загрязнениям и могут быть хорошими индикаторами состояния окружающей среды как сами по себе, так и в качестве некоторого чувствительного элемента биосенсоров. Если принять во внимание все разнообразие ферментов, присутствующих и действующих в живых организмах и являющихся потенциальными биологическими преобразователями, то существующее сегодня число конструкций биосенсоров может быть увеличено в десятки и даже сотни раз. Основные трудности связаны с градуировкой биосенсоров и надежностью их показаний. Для улучшения последнего показателя, в частности, может быть использована мультисенсорная система, состоящая из ряда биочипов.

       В целом метрологические характеристики биосенсоров вполне приемлемы. Относительное стандартное отклонение определяемой концентрации не хуже10-12%, при этом нижняя граница определяемых содержаний достигает 10-10 - 10-15 моль/л. Некоторые биосенсоры работают по принципу «да-нет», что приемлемо, в случае определения присутствия ультра малых количеств высокотоксичных веществ в объектах окружающей среды. Если определяемые компоненты находятся в сложной смеси или матрице, или близки по своим свойствам, то при анализе используются хроматографические методы разделения. Отметим, что биосенсоры широко используются не только в химии, но также в биотехнологии, медицине и экологии. Перспективно их применение в электронной промышленности и системах безопасности, например, на транспорте (в первую очередь – на авиатранспорте), в угольной промышленности и др. Многочисленные аварии, катастрофы и теракты последних лет настоятельно требуют ускоренного внедрения перспективных научных разработок в критически важных областях жизни.

    

    2.4 Устройство и принципы работы оптических химических сенсоров

       Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах:

   − поглощения света (абсорбция);

   − отражения первичного (падающего) светового потока;

   − люминесценции.

         При этом используются зависимости оптических свойств сред (коэффициентов преломления, отражения и др.) от концентраций определяемых веществ.

         Рассмотрим фундаментальные явления, лежащие в основе действия оптических химических сенсоров.

          Абсорбция - способность вещества поглощать оптическое излучение зависит от строения атомов (молекул), а также от агрегатного состояния вещества, его концентрации, толщины слоя, длины волны и других факторов.

        Основные законы поглощения оптического излучения, на которых основано применение эффекта абсорбции для исследования и анализа вещества – закон Бугера-Ламберта и закон Бера.

        Согласно первому закону, если среда однородна и ее слой толщиной l перпендикулярен монохроматическому световому потоку с интенсивностью I0, то интенсивность I прошедшего света определяется по формуле:

                                

                                        I = I0 exp (-αпогл l)                                                              (2)

     В формуле (2) αпогл – коэффициент поглощения, который для данного вещества зависит от длины волны λ падающего монохроматического излучения. В тех случаях, когда нельзя пренебречь рассеянием света, необходимо учитывать его вклад в суммарное ослабление αΣ интенсивности прошедшего через среду света:

                                            αΣ = αпогл + αрасс 

       По закону Бера каждая молекула (или атом) поглощает одинаковую часть падающего излучения, поэтому поглощение пропорционально числу частиц поглощающего вещества N:

                                                   αпогл = σ N,                                                             (3)

где N – концентрация определяемого вещества;

      σ – сечение поглощения определяемого вещества на данной длине волны падающего излучения λ.

         Если оба закона выполняются, то справедлив объединенный закон Бугера-Ламберта-Бэра:

                                              I = I0 exp (-l σ N)                                                         (4)

        Размерности величин в формулах (2)–(4) в системе СИ: [I] = Вт, [α] =м-1, [l] = [L]=[z] =м, [N] =м-3, [σ]=м2.

       Отражение. При падении потока света на границу раздела двух сред часть его излучения отражается обратно. При этом характер отражения зависит от свойств сред и размеров неровностей на границе раздела этих сред. Интенсивность отраженного света определяется электронным строением атомов, молекул и ионов в поверхностном слое вещества, процессами поглощения и многократного рассеяния в нем, а также зависит от длины волны падающего света, т.к. σ в (2)–(4) может зависить от λ. Это позволяет использовать эффект отражения для исследования состава и строения поверхностных слоев твердого тела и мутных сред, а также идентифицировать адсорбированные соединения.

            Для исследования тонких пленок используется метод нарушенного полного внутреннего отражения, основанного на отражении, например, ИК-излучения на границе двух сред, находящихся в оптическом контакте (на расстоянии порядка действия молекулярных сил). В этом случае вещество поглощает свет характеристических длин волн и отражает в остальной части спектра.

           Люминесценция. Это явление представляет собой свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, и является избыточным излучением по сравнению с тепловым излучением тела при данной температуре.

           Фотолюминесценция, источником которой является свет, имеет наибольшее значение для определения состава среды. Фотолюминесценцию характеризуют спектрами поглощения и люминесценции, поляризацией, энергетическим выходом (отношение энергии, излучаемой веществом в виде люминесценции к поглощенной энергии), квантовым выходом (отношение числа излученных квантов к числу поглощенных) и кинетикой.

             Наиболее широко применяют анализ, основанный на фотолюминесценции возбуждаемой УФ-излучением, источником которого служат ртутно-кварцевые и ксеноновые лампы, а также – лазеры. Регистрация люминесценции производится визуально и фотоэлектрическим способом (с помощью спектрофотометра). Характеристики фотолюминесценции позволяют сделать выводы о присутствии в исследуемых образцах определенных веществ и их концентрации. Количественный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции от количества люминесцирующего вещества.

           Чаще всего оптические химические сенсоры классифицируются в зависимости от типа принципов их действия: датчик поглощения, датчик отражения, датчик люминесценции, комбинированный датчик и др.

           Строение оптических химических сенсоров. В оптических химических сенсорах, работающих на физических принципах, аналитический сигнал обусловлен не химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя, а измеряемым физическим параметром: интенсивностью поглощения, отражения или люминесценции света и т.д.

            Оптоволоконный сенсор обычно выполнена из кварцевого стекла, пластика или стекла и окружен оптическим изолятором –  оболочкой, имеющей более низкий показатель преломления, чем сердцевина. Пластиковые и стеклянные волокна гораздо дешевле, чем волокна из кварцевого стекла, однако область применения кварцевых волокон существенно шире: они могут быть использованы в ультрафиолетовой области спектра, там, где остальные материалы поглощают излучение.

              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 для 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.   

  1. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН                                         

Погрешность результата измерения имеет много составляющих, каждая из которых обусловлена различными факторами и источниками. Типичный подход к анализу и оцениванию погрешностей состоит в выделении этих составляющих, их изучении по отдельности и суммировании по принятым правилам. Определив количественные параметры всех составляющих погрешности и, зная способы их суммирования, можно правильно оценить погрешность результата измерений и при возможности скорректировать его с помощью введения поправок.

Ниже приводятся некоторые источники появления погрешностей измерений:

         •  неполное соответствие объекта измерений принятой его модели;

         •  неполное знание измеряемой величины;

         •  неполное знание влияния условий окружающей среды на измерение;

         •  несовершенное измерение параметров окружающей среды;

         • конечная разрешающая способность прибора или порог его чувствительности;

         • неточность передачи значения единицы величины от эталонов к рабочим средствам измерений;

         • неточные знания констант и других параметров, используемых в алгоритме обработки результатов измерения;

         •  аппроксимации и предположения, реализуемые в методе измерений;

         •  субъективная погрешность оператора при проведении измерений;

         • изменения в повторных наблюдениях измеряемой величины при очевидно одинаковых условиях и другие.

       Группируя перечисленные выше и другие причины появления погрешностей измерений, их можно разделить на погрешности метода измерений, средств измерений (инструмента) и оператора, проводящего измерения. Несовершенство каждого этого компонента измерения вносит вклад в погрешность измерения. Поэтому в общем виде погрешность можно выразить следующей формулой:

 

                                   ∆X = ∆м + ∆и + ∆л,                                                            (5)

   где ∆м – методическая погрешность (погрешность метода);

          ∆и - инструментальная погрешность (погрешность средств измерений);

          ∆л - личная (субъективная) погрешность.

         Методическая погрешность возникает из-за недостатков используемого метода измерений. Чаще всего это является следствием различных допущений при использовании эмпирических зависимостей между измеряемыми величинами или конструктивных упрощений в приборах, используемых в данном методе измерений.

           Субъективная погрешность связана с такими индивидуальными особенностями операторов, как внимательность, сосредоточенность, быстрота реакции, степень профессиональной подготовленности. Такие погрешности чаще встречаются при большой доле ручного труда при проведении измерений и почти отсутствуют при использовании автоматизированных средств измерений.             

                                           ЗАКЛЮЧЕНИЕ

         Развитие химических и биологических сенсоров обещает множество новых открытий в разных отраслях. Параллельное совершенствование микро- и наносистемной техники и сенсорных технологий приведет к созданию внедрению микроаналитических систем, это позволит перейти на новый уровень миниатюризации оборудования и точности измерений.

         Распознающий элемент биосенсора находится в непосредственном контакте с исследуемым образцом, именно он отвечает за химические и биохимические реакции, протекающие в процессе анализа. Наиболее универсальным направлением развития являются биосенсоры, использующие антитела, т.к. могут быть изготовлены для связывания чрезвычайно широкого класса веществ. С точки зрения экономичности подают большие надежды клеточные биоиндикаторы, технологии создания которых стремительно развиваются.

          В целом, биологические и химические сенсоры можно включить в список тех высокотехнологичных устройств, которые в настоящее время активно разрабатываются и в ХХI веке будут широко внедрены. В этот список входят микро- и нанороботы, молекулярные запоминающие устройства, одномолекулярные транзисторы, «умные» стекла и другие научные достижения, которые еще недавно казались фантазией, и на наших глазах становятся реальностью.

       Загрязнение окружающей среды и в первую очередь атмосферы вредными химическими веществами является в настоящее время самым мощным и постоянно действующим фактором воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Задачи контроля состояния окружающей среды требуют разработки и создания датчиков для определения различных параметров, в частности температуры, давления, влажности, концентрации химических веществ и др.

          Аналогичные задачи актуальны также и в таких областях как химия, биотехнология и медицина. Несомненно, перспективно применение химических сенсоров в электронной промышленности и в системах безопасности, например, на авиатранспорте, в угольной промышленности, на военных и других, критически важных объектах.

          Существующий в последние годы и все возрастающий интерес к разработке и использованию оптических химических сенсоров связан со следующими их наиболее важными преимуществами:

  − высокая чувствительность;

  − высокая скорость отклика;

  − возможность бесконтактного обнаружения;

  − высокая помехозащищенность;

  − нечувствительны к электромагнитным полям (не оптической частоты);

  − нечувствительны к радиационным полям;

  − способность передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния (например, по оптоволокну);

  − удобство мультиплексирования сигналов;

  − высокая плотность передачи данных;

  − стойкость к вредным воздействиям окружающей среды;

  − удобство применения интегральной технологии.

          Основными недостатками оптических химических сенсоров являются: достаточно высокая, хотя и селективная чувствительность к световым помехам, а также определенная подверженность влиянию температуры (в случае использования полупроводников при изготовлении сенсора).

          Установлено, что при использовании высоко устойчивой миниатюрной электронной схемы сравнения на основе прецизионных операционных усилителей и компьютерной регистрации и обработке данных измерений интегрально-оптический химический сенсор демонстрирует хорошие метрологические характеристики.

  1. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

  1. Эггинс, Б. Химические и биологические сенсоры // Москва, Техносфера, 2005.
  2. Карякин, А.А, Уласова, Е.А, Вагин, М.Ю, Карякина, Е.Е.  // Сенсор.-2002.- С.-  16-23.
  3. Варфоломеев, С.Д. Физическая химия: Современные проблемы / Под ред. Я.М. Колотыркина. М.: Химия, 1982. С. 68-94.
  4. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. – М.: Научный мир, 2000.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80931. Звязок методики навчання історії з іншими науками 35.76 KB
  Методичні дослідження вивчаючи процес навчання історії мають спиратися на родинні науки насамперед на історію педагогіку і психологію. Пізнавальна діяльність учнів та її результати не можуть бути повноцінними якщо навчання історії не буде відповідати сучасному рівню історичної науки її методології. Навчання історії стане науково обґрунтованим і результативним лише за умови якщо вся його структура зміст і методика будуть відповідати цим обєктивним етапам та закономірностям пізнання.
80932. Сучасні цілі та завдання шкільної історичної освіти в Україні 33.28 KB
  Головна мета шкільної історичної освіти може бути визначена як створення та становлення особистості учня як субєкта історичного розвитку та суспільних відносин громадянинапатріота. Завданнями сучасної шкільної історичної освіти є забезпечення умов для: набуття школярами ключових та предметних компетентностей; виховання повноправного громадянина патріота України який здатен вільно орієнтуватися в суспільному житті та усвідомлювати свою роль та відповідальність перед суспільством та державою формування в учнів самосвідомості та власної...
80933. Структура та методичне забезпечення підручника «Всесвітньої історії» (10-11кл.) 37.68 KB
  Бесіда – діалогічний метод навчання за допомогою якого вчитель із поставленими питаннямь спонукає учнів відтворювати раніше набуті знання робити самостійні висновкиузагальнення на основі засвоєного фактичного матеріалу. Бесіда є одним із активних методів навчання. Бесіда дозволяє залучити до діяльності на уроці дітей незалежно від їхнього рівня підготовки та індивідуальних можливостей що сприяє досягненню високих результатів у навчально – виховному процесі. Така бесіда зазвичай проводиться на початку вивчення теми чи розділу.
80934. Аналіз програми з історії України для 5 кл. Мета ,завдання та зміст 29.92 KB
  Головною метою курсу є підготовка учнів до успішного опанування систематичних курсів історії України та всесвітньої історії прищеплення інтересу до історії отримання знань у наступних класах через формування в них початкових уявлень про історію як науку та про історію України як складову світової історії елементарних вмінь з історії; поглиблення загальних дидактичних вмінь необхідних для успішного засвоєння історичної інформації в подальшому; прагнення викликати захоплення минулим України. Зміст курсу ґрунтується на таких засадах:...
80935. Кабінет історії в школі, його значення 34.32 KB
  Важливе значення має вигляд меблів якими обладнаний кабінет. Важливе значення має також оформлення передньої стінки яку складають державна символіка України розкладна проста чи магнітна дошка екран шафи з тумбами стаціонарний стелаж чи рухома підставка для книг.
80936. Аналіз програми з історії України для 6-9 кл. Мета ,завдання та зміст 35.39 KB
  Мета завдання та зміст. Програма з історії спрямована на реалізацію вимог освітньої галузі Суспільствознавство Державного стандарту базової середньої освіти конкретизує зміст історичного компоненту галузі та вимоги до загальноосвітньої підготовки учнів з історії. Основними компонентами змісту окремих курсів за цією програмою є: зміст історичного навчального матеріалу перелік державних вимог до рівня загальноосвітньої підготовки учнів на який учитель орієнтується під час вивчення конкретних тем відповідних курсів. До кожної теми надано...
80937. Види історичних документів, особливості їх вивчення 35.44 KB
  До історичних джерел належить все створене людиною, у тому числі результати його взаємодії з навколишнім середовищем, а також предмети матеріальної культури, звичаї, обряди, памятки писемності. У широкому сенсі слова памятники писемності в методиці називають документами
80938. Аналіз програми з історії України для 10-11 класів мета завдання та зміст курсу Нової історії України 35.68 KB
  Мета курсу за вибором Досліджуємо історію України для профільних класів суспільногуманітарного напряму поглиблення системи знань учнів про історію України XX століття яке забезпечується набуттям старшокласниками власного інтелектуального досвіду вивчення історичного матеріалу розвитком навчальнопізнавальних умінь та ключових предметних компетенцій. Реалізація курсу за вибором Досліджуємо історію України здійснена у контексті профілізації старшої школи допоможе виконати наступні завдання: поглибити цілісні уявлення старшокласників...