SENZORI POTENŢIOMETRICI PENTRU GAZE

DEFINIŢIE. PRINCIPIU DE FUNCŢIONARE

- Sunt celule electrochimice separate de probăprintr-o membrană permeabilă pentru analitul în stare gazoasă

- Membrana permite transferul analitului spre interiorul celulei, dar impiedică accesul altor componenţi ai probei.

- În urma interacţiunii dintre analit şi componenţii soluţiei interne a celulei rezultă compuşi care pot fi detectaţi cu ajutorul unui electrod indicator adecvat, permiţînd determinarea indirectă a

analitului

PRINCIPIU CONSTRUCTIV AL UNUI SENZOR POTENŢIOMETRIC PENTRU GAZE

ELEMENTE CONSTRUCTIVE

1- electrod indicator

2- electrod de referinţă3- soluţie de electrolit4- membrană permeabilă pentru gaze5- probă

SENZORUL POTENŢIOMETRIC PENTRU CO2

ELEMENTELE CONSTRUCTIVE

1. electrod cu membrană de sticlă pentru pH

2. electrod de referinţă intern3. soluţie internă care coţine NaHCO3 4. membrană permeabilă pentru CO25. membrană de sticlă6. film subţire de soluţie internă

MECANISMUL DE RĂSPUNS AL SENZORULUI

I -Bioxidul de carbon dizolvat în probă traversează membrana şi se dizolvă în soluţia internă, stabilindu-se echilibrul:CO2(aq)ext ↔ CO2(g) ↔ CO2(aq)int

OBS. – dimensiunile porilor membranei şi densitatea acestora se aleg astfel încât echilibrul să se stabilească rapid în câteva minute

II- Gazul dizolvat în soluţia internă participă la echilibrul:CO2(aq)int + H2O ↔ H+ + HCO3

-

Astfel se modifică pH-ul soluţiei interne şi acest fapt poate fi pus în evidenţă cu ajutorul unui senzor de pH(electrodul cu membrană de sticlă)

Reacţia totală care descrie funcţionarea senzorului:CO2(aq)ext + H2O ↔ H+ + HCO3

-

Cu constanta de echilibru:

extaqCO

HCOH

a

aaK

)(2

3

activitatea CO2este proporţionalăcu presiunea parţială a gazului în probă şi ca urmare rezultă:

potenţialul electrodului de pH:

K

aapka

HCO

HCOextaqCO

3

2)(2

3

2log

HCO

COtind a

kKpsSkE

Concentraţia NaHCO3 în soluţia internă este suficient de mare încât activitatea ionului HCO3

- să nu se modifice semnificativ în urma reacţiei care are loc.

termenii k′ şi k′′ grupează toţi factorii constanţi de mai sus.

Relaţia exprimă dependenţa potenţialului electrodului cu membrană de sticlăde presiunea parţială a dioxidului de carbon în probă

2log COtind psSkE

SENZORI POTENŢIOMETRICI CU STRAT BIOCATALITIC

- senzorii de acest tip se bazează pe conversia enzimatică a analitului, urmată de detecţia potenţiometrică a unui produs de reacţie

Exemplu: Determinarea ureii în probe biologice are la bază

hidroliza acesteia catalizată de enzima urează

CO(NH2)2 + 2H2O + H+ ↔ 2NH4+ + HCO3

-

NH4+ ↔ NH3 + H+

Amoniacul poate fi detectat cu un senzor specific.

Aşadar dacă unui senzor de amoniac i se adaugă un strat catalitic conţinând urează, rezultă un senzor enzimatic pentru uree.

Senzorul de amoniac îndeplineşte funcţia de traductor

Stratul biocatalitic poate fi: o enzimă sau: un preparat biologic ce conţine

enzima respectivă. Utilizarea acestor preparate elimină necesitatea separării enzimei şi permite păstrarea activităţii ei la valori ridicate

Preparatul biocatalitic este reţinut la suprafaţa senzorului prin metode fizice sau chimice. Cea mai simplă metodă de fixare constă în protejarea stratului biocatalitic cu o membrană de dializă (celofan). Aceasta permite difuzia analitului din probă spre stratul biocatalitic dar împiedică pierderea enzimei prin dizolvare în probă

PRINCIPIUL CONSTRUCTIV AL UNUI ELECTROD CU MEMBRANĂ BIOCATALITICĂ

ELEMENTE CONSTRUCTIVE

a-membrană externăb-strat biocataliticc-membrană internăd-membrană permeabilă pentru gazee-soluţie internă de electrolitf-electrod de pH combinatg-corpul electrodului

APLICAŢII

Astfel de senzori se aplică pentru determinări analitice în domeniul de concentraţie 10-4 -10-2 mol/L pe baza unui grafic de etalonare.

Timpul de răspuns este de ordinul minutelor şi depinde de doi factori:- timpul necesar pentru atingerea unei stări staţionareîn stratul biocatalitic- timpul de răspuns al traductorului

DEZAVANTAJE

- datorită labilităţii biocatalizatorului timpul de viaţă al stratului biocatalitic este relativ scurt. De aceea, senzorul se realizează astfel încât stratul biocatalitic să se poată înlocui frecvent cu un preparat proaspăt cu activitate catalitică corespunzătoare.

Este important ca pH-ul să fie ajustat cu ajutorul unui sistem tampon

Avantaje:- principalul avantaj al acestor senzori este gradul avansat de specificitate conferit de biocatalizator

Aplicaţi:-determinarea de compuşi organici în probe biologice sau în procese biotehnologice

SENZORI PENTRU IONI PE BAZĂ DE DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE

Proprietatea unor materiale de a lega selectiv anumiţi ioni permite realizarea de electrozi ioni selectivi.

Funcţionarea lor se bazează pe măsurarea diferenţei de potenţial între feţele unei membrane care se află în contact cu proba pe de o parte şi cu o soluţie de referinţă pe de altă parte.

Cantitatea de electricitate localizată la interfaţă este corelată cu concentraţia speciei chimice implicată în procesul de schimb ionic.

Astfel de materiale sunt semiconductori iar dispozitivul electronic semiconductor se numit tranzistor cu efect de câmp

El reprezintă o alternativă la metoda de măsurare specifică electrozilor ion selectivi.

MATERIALE ŞI DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE

Materialele semiconductoare se realizează pe bază de siliciu. Siliciu are patru electroni periferici pe care îi foloseşte la formarea de legături covalente cu alţi patru atomi de siliciu. Ca urmare siliciu pur are o coductivitate electrică exterm de mică. Conductivitatea creşte în mod cosiderabil dacă se recurge la doparea materialului cu elemente din grupele III sauV

Semiconductori de tip n

Astfel dacă se adaugă urme de stibiu (element din gr. a V-a atomii acestui element pătrund în reţeaua cristalină a siliciului formînd patru legături covalente cu patru atomi de siliciu învecinaţi. Un electron de la stibiu va rămâne neimplicat într-o legătură chimică. Acest electron se poate deplasa liber sub influenţa unui cîmp electric. Materialul semiconductor capătă astfel o conductivitate mult mai mare. Această conductivitate se datorează un purtători de sarcinănegativă şi se numesc semiconductori de tip n

Semiconductori de tip p

Dacă elementul dopant face parte din grupa a III-a(indiu sau galiu) atomii acestor elemente vor aduce doar câte trei electroni de valenţă. Una din cele patru legături de valenţă cu atomii de siliciu. Lipsa celui de-al doilea electro este echivalentă cu o sarcină pozitivă (numită ,,gol” sau ,,vacanţă” Un electron provenit de la un atom învecinat poate să ocupe acest gol în urma atracţiei electrostatice formând un alt gol. Sub acţiunea unui câmp electric procesul se propagă din aproape în aproape. Acesta este un semicoductor de tip p.

Aplicaţiile semiconductorilor se bazează pe proprietăţile conductoare ale joncţiunii între o zonă de tip p şi o zonă de tip n.

Sunt posibile două situaţii:- joncţiune pn în stare de polarizare

directă (A)- joncţiune pn în stare de polarizare

inversă(B)

Cazul A Aplicând o sursă de tensiune aşa

cum se indică în cazul A câmpul electric determină deplasarea purtătorilor de sarcini în sensuri opuse urmată de neutralizarea lor reciprocă în zona joncţiunii. Procesul continuă atâta timp cât se aplică tensiunea

CazulB Dacă se aplică o polarizare conform

cazului Bpurtătorii de sarcină vor fi atraşi de polii sursei părăsind zona joncţiunii ceea ce determină o rezistenţă exterm de mare

Senzori de tip ISFET-structură şi mod de funcţionareISFET=Ion Selective Field Effect Transistor

Elemente componente

Dispozitivul cuprinde două componente importante:

membrana selectivă şi placa semiconductoare, B,cu două

joncţiuni pn cele două zone de tip n fiind denumite sursă,(S) şi drenă(D).

Între membrană şi straturile semiconductoare se interpune un strat subţire de izolator (SiO2)

Sursa şi drena sunt conectate la sursa de tensiune, UD,indiferent de polaritatea acesteia una dintre joncţiunile np va fi polarizată invers. Ca urmare în absenţa altor influenţe, curentul iD va fi nul.

Dacă la interfaţa membrană soluţie apar sarcini electrice acestea acţionează asupra electronilor de valenţă din zona plăcii B situată între sursă şi drenă şi denumită canal. Sub acţiunea câmpului electric unii electroni din canal trec în stare de electroni liberi făcând posibilă conducţia electrică între sursă şi drenă şi astfel iD≠0

Determinările analitice se pot realiza prin măsurarea curentului de drenă iD în funcţie de activitatea ionului transferabil a,

Avantajele:- pot fi fabricate la dimensiuni miniaturale (sub 1mm)prin tehnologii specifice industriei de componente microelectronice- se pot realiza mai mulţi senzori diferiţi pe aceeaşi plăcuţă de siliciu semiconductor şi astfel se pot determina simultan mai multe specii ionice simultan