Химические сенсоры являются удобным аналитическим инструментом, который представляет интерес для исследователей и практиков. Постоянное развитие исследований приводит к созданию новых сенсоров, расширению областей их применения. Сенсоры привлекают внимание в связи со своей низкой стоимостью, небольшими размерами, возможностью в специальных условиях селективно определять различные вещества как в лабораторном, так и внелабораторном применении, причем в случае необходимости позволяют проводить дистанционные измерения. Они находят применение в различных областях промышленности, медицине, сельском хозяйстве, при экологическом мониторинге и.т.д. Примером сенсора может служить ИСЭ (ионселективный электрод).
Сенсор – это первичное устройство, регистрирующее (откликающееся) на определенные свойства окружающей среды и позволяющее регистрировать этот отклик в виде соответствующего электрического, оптического и др. сигнала.
Бывают физические, химические и биологические сенсоры.
Физические определяют такие свойства как температура, давление, ускорение системы и пр.
Химические дают информацию о присутствии и концентрации различных веществ в этих средах. Среди них выделяют:
электрохимические – это потенциометрические ( ионселективные электроды – ИСЭ, ионселективные полевые транзисторы – ИСПТ) и вольт- и амперометрические, электролитические газовые, а также полупроводниковые газовые сенсоры,
оптические (оптоды) – в них определение идет по оптическим спектрам,
биологические – в них реализуются реакции: антитело-антиген, фермент-субстрат, рецептор-гормон. Эффективными являются клеточные биосенсоры, в которых используются живые клеточные культуры. Преимуществом данных устройств является их высокая селективность.
Важной характеристикой сенсоров является нижний предел обнаружения – это минимальная концентрация веществ в растворе, которую можно определить. Для ионселективных электродов (ИСЭ) обычный предел обнаружения – 10-6 – 10-5 М. В последнее время за счет создания внутреннего полимерного электропроводящего твердого контакта, наличия ионообменного материала в мембране, подбора оптимальной концентрации внутреннего раствора, применением вращающегося электрода, применением импульсного электрического тока удается снизить предел обнаружения до 10-9 М.
Селективность
сенсора определяется его способностью определять концентрацию отдельного иона в присутствии других ионов в растворе. Ионселективные электроды в большинстве случаев не являются полностью селективными и на их потенциал оказывают влияние мешающие ионы. Пути преодоления этого недостатка лежат в поисках новых мембранных материалов и в применении метода «электронного языка», где используются слабоселективные сенсоры. Метод «электронного языка» основан на использовании мультисенсорных систем включающих не один, а несколько ИСЭ. Анализ сигналов (потенциалов) поступающих от всех электродов позволяет определить состав смеси. Предварительно систему нужно обучить «электронному языку», т.е. откалибровать при разных, но точно известных концентрациях компонентов смеси значения сигналов всех электродов.
Систему «электронный язык» можно определить как аналитическое устройство, включающее в себя массив (набор) химических сенсоров, обладающих чувствительностью к нескольким компонентам анализируемого раствора одновременно (перекрестной чувствительностью), и использующее соответствующий многомерный метод обработки данных, получаемых от массива сенсоров, например, метод распознания образцов или метод многомерной калибровки.
Время отклика – время, по истечении которого потенциал электрода принимает постоянное значение при перемещении электрода из одного анализируемого раствора в другой, отличающийся концентрацией определяемого иона.
В развитии методов химических сенсоров наблюдаются следующие тенденции:
1. Создание наносенсоров путем использования современных достижений нанотехнологий.
2. Миниатюризация с использованием современной микроэлектронной техники, в частности, создание ИСПТ – ионселективного полевого транзистора – сенсора на основе микроэлектронных структур.
3. Применение новых технологий создания толстых и тонких пленочных чувствительных мембран химических сенсоров.
4. Применение новых мембранных материалов на основе электропроводящих полимеров и ионофоров.
Системе «электронный язык» аналогична система «электронный нос», которая находит применение в анализе вин, например. (Журнал аналитической химии, 2010,том 65, №9, с. 900-919).
Следует отметить, что постоянно происходит совершенствование приборов физико-химических методов анализа увеличение чувствительности и точности определения количества вещества. Так использование современного лазерного спектрометра позволяет методом комбинационного рассеяния определить несколько органических молекул, адсорбированных на поверхности наночастиц золота или серебра.