|
|
|
СОСТАВНЫЕ ДАТЧИКИНедисперсионное поглощение ИК излучения заданных длин волн может быть использовано для детектирования таких газов, как С02. Спектроскопические абсорбционные оптические датчики, работающие в диапазоне УФ и ИК длин волн, иногда применяются для обнаружения таких газов как 03, при этом наблюдается не простое ослабление сигнала, а более сложные формы изменения оптической плотности. Какие бы методы измерения не использовались, у всех них есть общее правило, что для получения максимально возможного электрического выходного сигнала длина волны источника излучений должна соответствовать мощности выбранного оптического детектора. Детектирование исходящего и результирующего излучений проводится при помощи фотодетекторов или фотоумножителей. Разработано большое количество разнообразных оптических химических детекторов. В данном сайте будет описан только один для иллюстрации работы таких сенсоров. На рис. 17.12 отображена упрощенная схема детектора С02 [18], состоящего из двух камер, освещаемых одним светоизлучающим диодом (СИД). Для повышения отражающей способности поверхности камер покрыты слоем металла. В левой камере проделаны отверстия, сообщающиеся с газопроницаемой мембраной. Эти отверстия позволяют С02 проникать внутрь камеры. Составные датчики основаны на химических преобразованиях, изменяющих состояние индикатора. Индикатором может быть изменение температуры, прозрачности, частоты колебаний и т.д. Для получения из индикатора электрического выходного сигнала требуется дополнительный преобразователь.Тепловые датчики Изменение внутренней энергии системы всегда сопровождается выделением или поглощением тепла. Это утверждение называется первым законом термодинамики. Следовательно, все эндо и экзотермические химические реакции могут быть обнаружены при помощи тепловых детекторов. 
Рис. 17.11. Схема химического теплового датчика
Датчики для детектирования реакций основаны на принципе микрокалориметрии. Принцип действия тепловых сенсоров заключается в следующем: На температурный зонд наносится покрытие, реагирующее на определенное химическое вещество. При введении в образец зонд измеряет выделение тепла в процессе протекания реакции между образцом и покрытием. На рис. 17.11 отображена упрощенная схема такого датчика, помещенного в теплоизоляционный кожух для снижения тепловых потерь в окружающую среду. Чувствительным элементом здесь является термистор, покрытый каталитическим слоем, часто из иммобилизованного окислителя. Энзимы наносятся на наконечник термистора, который затем покрывается стеклянным чехлом для уменьшения тепловых потерь в окружающий раствор. В качестве эталонного детектора применяется аналогичный термистор с покрытием на основе сыворотки альбумина крупного рогатого скота. Оба термистора включаются в плечи моста Уитстона [17]. Увеличение температуры, вызванное протеканием химической реакции, пропорционально росту энтальпии dH: 
Каталитические датчики Пелистера Принцип действия таких сенсоров аналогичен принципу действия тепловых сенсоров энзимного типа. На поверхности таких сенсоров в результате протекания каталитических реакций происходит высвобождение тепла, а происходящее при этом изменение температуры внутри устройства регистрируется при помощи соответствующих детекторов температуры. С точки зрения протекающих реакций эти детекторы похожи на высокотемпературные кондуктометрические оксидные датчики. Каталитические детекторы газов были разработаны специально для обнаружения малых концентраций легковоспламеняющихся газов внутри шахт. Такие датчики часто называются пеллисторами [8]. Платиновая катушка встраивается в круглую пластину из Th02/Al203, покрытую пористым каталитическим металлом: палладием или платиной. Катушка выполняет роль и нагревателя, и резистивного детектора температуры (РДТ). Для этих целей могут использоваться и другие типы нагревательных элементов и детекторов температуры. Когда исследуемый газ вступает в реакцию на каталитической поверхности детектора, происходит выделение тепла, повышающее температуру пластины и встроенной в нее катушки. В результате этих процессов сопротивление катушки возрастает, что регистрируется электронной схемой. Такие детекторы могут работать в двух режимах: изотермическом, когда для обеспечения постоянной температуры электронный блок регулирует ток через катушку, и неизотермическом, когда детектор встраивается в мост Уитстона, выходное напряжение того пропорционально концентрации исследуемых газов. Оптические химические датчики Оптические датчики основаны на взаимодействии электромагнитных волн с исследуемым образцом, в результате того меняются некоторые свойства излучений, такие как интенсивность, поляризация, скорость света в среде и т.д. Модуляция длины волны излучения происходит из-за присутствия в образце определенных химических веществ. Оптические модуляции сигналов исследуются методами спектроскопии, позволяющими получать различную информацию о микроскопических структурах: от атомов до динамических процессов в полимерах. Принцип действия спектрометров заключается в воздействии на образец, который может быть в одной из трех фаз: твердой, жидкой или газообразной, монохроматического излучения. Проходящие через образец электромагнитные волны изменяют его свойства, что приводит к модуляции выходного сигнала. Либо внешнее излучение приводит к возникновению вторичного излучения (индуцированной люминесценции), интенсивность того пропорциональна концентрации анализируемого вещества в составе образца. Хемилюминесцентные детекторы при воздействии на них излучением в присутствии определенных химических веществ начинают испускать свет. Иногда вместо отполированной линзы на конце волновода используется специ— альное покрытие, влияющее на отражение и преломление падающего излучения, в этом случае детектор измеряет затухающие колебания. Поскольку сам волновод является довольно прочным и устойчивым к воздействию многих химических реагентов, слабым местом таких сенсоров является чувствительное покрытие, не обладающее такими свойствами [20]. Существуют разнообразные конструкции оптоволоконных детекторов, цель разработки которых заключается в повышении их избирательности. Нижние части камер выполнены из стекла. Подложки А и В формируют оптические волноводы. Рабочая камера заполняется реагентом, контрольная камера остается пустой. Измерительная часть детектора отслеживает изменения оптической плотности рН-индикатора, внесенного в раствор реагента. В данном случае справедлив закон Бера-Ламберта: 
Рис. 17.12. Упрощенная схема оптического детектора С02
.
Между молекулами С02 окружающей среды и молекулами Н2С03 и
НС03 реагента устанавливается равновесное состояние, что приводит к изменению
рН раствора. Раствор реагента содержит рН-индикатор Хлорофенол красный, у
того поглощающая способность на длине волны 560 нм линейно зависит от
уровня рН, изменяющегося в диапазоне значений 5...7. Состав реагента выбирается
из расчета того, чтобы парциальное давление С02 в диапазоне 0...140 торр
приводит к изменению рН в требуемом интервале значений. Поскольку рН раствора
пропорционально логарифму парциального давления диоксида углерода (рС02), изменение
его оптической плотности будет линейно связано с логарифмом от рСОг
Свет от общего СИД проходит через рН-чувствительный раствор,
отражается от поверхности камеры и возвращается на фотодиод 1. Второй фотодиод
является эталонным, его назначение заключается в сглаживании перепадов
интенсивности излучения СИД. Для обеспечения температурной стабильности
характеристик детектор должен работать при постоянной температуре окружающей
среды.
На рис. 17.13 отображен оптоволоконный химический датчик,
принцип действия того основан либо на изменении интенсивности излучения,
дошедшего через волновод до принимающего фотодетектора, либо на изменении его
длины волны (см. также рис. 4.17А главы 4). Такой датчик обычно состоит из трех
частей: источника излучения, волновода со специальным адсорбционным покрытием
на конце и фотодетектора, преобразующего переменный световой сигнал в
электрический. Слой, нанесенный на конец волокна выполняет роль либо химически
селективной мембраны, либо индикатора, оптические свойства того зависят от
состава анализируемого образца [19].
Рис. 17.13. Оптоволоконный химический датчик
Расположение реагента и его характеристики, влияющие на
оптические свойства детектора, определяются типом датчика. Простой датчик
обычно состоит из стеклянного оптоволоконного волновода с полимерным покрытием,
отполированной линзы на его конце и реагента, поглощающего падающий свет. В одной из них свет от источника излучений разделяется на два луча, один из
которых проходит через реагент, а другой остается неизменным. После чего два
отраженных луча либо при помощи мультиплексора подключаются к одному
фотодетектору, либо подаются на разные преобразователи для получения выходного
дифференциального сигнала.
Гравиметрические детекторы Химические датчики, в которых очень маленькие изменения массы, происходящие из-за адсорбции молекул, приводят к изменению механических свойств системы, называются гравиметрическими детекторами или микровесами. Такие датчики относятся к физическим устройствам, поскольку в них нет протекания никаких химических реакции. Измерение микроскопических масс не может быть выполнено при помощи обычных весов. Для этого могут применяться акустические гравиметрические детекторы, работающие на ультразвуковых частотах. Принцип действия таких детекторов заключается в изменении резонансной частоты пьезоэлектрических кристаллов при осаждении на их поверхностях дополнительных масс. Пьезоэлектрический кварцевый генератор вибрирует на частоте, которая в зависимости от вида схемы называется либо последовательной (fr), либо параллельной (fa) резонансной частотой (см. рис. 7.39А главы 7). Любая резонансная частота определяется массой кристалла и его формой. В упрощенном виде гравиметрический датчик может быть представлен в виде пластины с собственной частотой, зависящей от ее массы. Добавление нетого количества вещества к этой массе приводит к сдвигу частоты, который может быть измерен при помощи соответствующих электронных схем: 
Значение чувствительности определяется конструкцией,
материалом и рабочей частотой (длиной волны) акустического детектора. Следовательно, гравиметрический датчик преобразует изменение массы в сдвиг по
частоте. Поскольку значения частоты и времени несложно определить с высокой
точностью, точностные характеристики микровесов определяются стабильностью
параметра S во время проведения измерений. На рис. 17.18 отображен пример
гравиметрического датчика.
Молекулы или большие частицы химических веществ, осаждаясь
на поверхности кристалла, увеличивают его массу, и, следовательно, снижают
резонансную частоту. Сдвиг по частоте, измеряемый при помощи соответствующей
электронной схемы, как правило, практически линейно зависит от концентрации
искомого компонента в исследуемом образце газа. Абсолютная точность этого метода
определяется такими факторами, как: механическая фиксация кристалла,
температура и т.д. Поэтому для обеспечения требуемого уровня точности
необходимо проводить калибровку сенсоров во всем диапазоне рабочих значений.
Гравиметрические датчики обладают очень высокой
чувствительностью. к примеру, типовая чувствительность таких детекторов
составляет порядка 5МГц • см2/кг; это значит, при увеличении веса на 17 нг/см2
сдвиг по частоте равен 1 Гц. Динамический диапазон микровесов также довольно
широк: до 20 мкг/см2. Для обеспечения химической избирательности детекторов на
кристалл наносится специальное покрытие, состав того определяется типом
исследуемого вещества.
Другой разновидностью гравиметрических сенсоров являются
детекторы, реализованные на основе поверхностных акустических волн (ПАВ). ПАВ —
это механические волны, распространяющиеся по поверхности твердого тела на
границе раздела со средой, обладающей меньшей плотностью, к примеру, воздухом
[21]. Эти волны иногда называются волнами Релея. Это название они получили в
честь ученого, предсказавшего их открытие в 1885 году. ПАВ детектор состоит из
трех основных компонентов: пьезоэлектрического передатчика, линии передач с
химически селективным покрытием и пьезоэлектрическим приемником. Электрический
генератор заставляет электроды передатчика изгибать подложку, что приводит к
формированию механической волны, распространяющейся по поверхности линии
передач в сторону приемника. Подложка часто изготавливается из LiNb03,
обладающего очень высоким пьезоэлектрическим коэффициентом [22]. Однако линия
передач не обязательно должна быть пьезоэлектрической. Это обстоятельство дает
возможность изготавливать датчики из других материалов, к примеру, кремния. В
зависимости от типа покрытия на поверхности линии передач осаждаются те или
иные химические вещества, в результате чего меняются параметры
распространяющихся по ней механических волн. Механические волны, доходя до
приемника, преобразуются на нем в выходной электрический сигнал. ПАВ датчики
часто имеют дифференциальную структуру, в той используется еще один
эталонный детектор, сигнал того вычитается из сигнала основного детектора.
Типовые схемы акустических сенсоров, которые могут быть
адаптированы для измерения масс, приведены в сайте 12.6 главы 12. В этом сайте
будет рассмотрен только один гравиметрический ПАВ детектор, используемый для
измерения концентраций газов (рис. 17.14). Этот датчик изготовлен на гибкой
тонкой кремниевой пластине, на которую методом напыления нанесены две пары
гребенчатых электродов. Под электродами формируется тонкий пьезоэлектрический
слой из ZnO, необходимый для электрической генерации механических ПАВ на
поверхности кремниевой пластины. Эта пленка придает кремниевой пластине
пьезоэлектрические свойства. Верхняя поверхность чувствительной пластины
покрывается тонким слоем химически селективного материала (или клея, если
датчик предназначен для детектирования веществ, загрязняющих воздух). Вся эта
конструкция размещается внутри трубки, сквозь которую продувается исследуемый
газ. Обе пары электродов включены в схему колебательного контура, частота
того f определяется собственной механической частотой подложки детектора.
В состав схемы входит усилитель, выходное напряжение
того управляет электродами передатчика. Благодаря пьезоэлектрическому
эффекту, подача напряжения на электроды приводит к изгибу мембраны и
распространению механической волны справа налево. Скорость волны определяется
состоянием мембраны и ее покрытия. Изменение механических свойств покрытия
зависит от его взаимодействия с исследуемым газом. В зависимости от скорости
распространения волны по мембране меняется время, через то она достигнет
приемника. Преобразованный электрический сигнал с выхода приемника подается на
вход усилителя. Таким образом формируется петля ОС, заставляющая схему работать
в колебательном режиме. Выходная частота является мерой измерения концентрации
исследуемого газа. Перед подачей исследуемого газа обычно проводится
определение контрольной частоты.
Такой метод может применяться для мониторинга состава
гетерогенных образцов, таких как аэрозоли и суспензии. Увеличение массы за счет
прилипания частиц аэрозолей и суспензии приводит к значительному частотному
сдвигу. При этом по выходной частоте можно судить о величине частиц этих
составов. Для улучшения эффекта прилипания кристаллы обрабатываются
специальными химическими или электростатическими методами.
Таблица 17.1. Химические датчики на ПАВ
Биохимические датчики Биодетекторы — это специальный класс химических сенсоров. Эволюция развития живых существ привела к созданию очень чувствительных органов, реагирующих на присутствие в воздухе даже нескольких молекул определенных веществ. Чувствительные элементы, созданные людьми на основе биологически активных материалов, хотя и не обладают такой высокой чувствительностью, но в комбинации с другими детекторами (к примеру, амперометрическими или тепловыми) могут качественно и количественно определять ряд биологических компонентов, таких как: простейшие организмы, клетки, ткани, органеллы, мембраны, ферменты, рецепторы, антитела и нуклеиновые кислоты [17]. 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 изучаемых процессов. При изготовлении биодетекторов ключевой проблемой является прикрепление биоматериала к физическому преобразователю. При этом: — биоматериал должен удерживаться на поверхности чувственного элемента в течение всего его срока службы; — должен быть обеспечен контакт биоматериала и исследуемого раствора; — 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. Способ физического удержания заключается в отделении биоматериала от анализируемого раствора при помощи специального покрытия, нанесенного на поверхность детектора. Такое покрытие должно быть проницаемым для исследуемого состава и продуктов реакции, но не для биоматериала. Энзимные датчики 
Рис. 17.15. Схема энзимного детектора
Датчики с энзимным слоем обладают высокой избирательной
способностью. Энзимы (ферменты) являются катализаторами — протеинами с высоким
молекулярным весом, найденными в живых организмах. Они обладают двумя
замечательными свойствами:
— у них очень высокая селективность при соответствующем
выборе подложки;
— они значительно повышают скорость химических реакций. Поэтому датчики, реализованные на их основе, имеют и хорошую избирательную
способность, и высокий выходной сигнал. Максимальная скорость
реакции пропорциональна концентрации ферментов. На рис. 17.15 отображена
схема энзимного детектора [17].
Роль чувственного элемента может выполнять либо тепловой,
либо электрохимический, либо оптический детектор. Энзимы действуют только в
водной среде, поэтому они, как правило, размещаются в гидрогеле. Принцип
действия таких детекторов заключается в том, что ферменты (катализаторы),
удерживаемые в специальном слое, вступают в реакцию с элементами подложки,
проникающими в этот слой за счет процессов диффузии. Продукты этой реакции
диффундируют в исследуемый раствор. Все остальные участники реакции попадают в
реакционный слой и выводятся из него также диффузионным способом. В результате
протекающих реакций меняются свойства энзимного слоя, что и регистрируется
чувствительным элементом.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
