Электрохимические сенсоры

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ, устройства, в к-рых аналит. сигнал обеспечивается протеканием электрохим. процесса. Предназначены для качеств. и количеств. анализа хим. соед. в жидких и газообразных средах. По сравнению с обычными аналит. приборами отличаются портативностью, простотой конструкции, относительно низкой стоимостью. Э. с. составляют наиб. разработанную и широко используемую группу среди устройств, в к-рых аналит. сигнал обусловлен хим. взаимод. в анализируемой среде (см. Сенсоры химические). Различают потенциометрич., амперометрич., кондуктометрич., импедансометрические Э. с. Аналит. сигналами служат, соотв.: потенциал индикаторного электрода (при нулевом токе через электрохим. ячейку); ток, протекающий через ячейку при заданном значении электродного потенциала; электропроводность р-ра электролита; электрохим. импеданс системы, представляющий собой электрич. эквивалент определенного сочетания сопротивлений и емкостей в электрохим. цепи (см. Волътамперометрия, Импедансный метод).
Э. с. используют гл. обр. для определения реакционноспо-собных (электроактивных) в-в, способных электрохимически восстанавливаться или окисляться на индикаторном электроде миниатюрной электрохим. ячейки, к-рая генерирует аналит. сигнал. В качестве индикаторных электродов служат инертные электроды (Pt, Pd, Au, Ag), химически активные (Сu, In, Sn) или модифицированные комплексными соед., а также ионселективные электроды. Электролиты м. б. жидкими (р-ры КС1, H₂SO₄, буферные растворы), твердыми (ZrO₂, А1₂О₃, Sb₂O₅ * nH₂O и др.), загущенными; применяют также полиэлектролиты.
В совр. Э. с. чувствит. элемент (трансдьюсер) по своей сути представляет гальванич. элемент, предложенный Л. Кларком (1953), в к-ром два электрода и р-р электролита отделены от анализируемой среды полупроницаемой мембраной.

Рис. 1. Полярографический электрохимический детектор кислорода (пояснения в тексте).

Напр., в кислородном амперометрич. сенсоре (рис. 1) внутри цилиндрич. корпуса 1 расположены индикаторный электрод 2 из платины и анод 3 из хлорида серебра (он же электрод сравнения). Электролит (водный р-р КС1) заливается в резервуар 4 и образует пленку 5 толщиной ок. 10 мкм. Полимерная мембрана 6 (полиэтилен, полипропилен, фторопласт, целлофан и др.) отделяет электролит от анализируемой среды (вода, газ), из к-рой кислород диффундирует через мембрану внутрь элемента и восстанавливается на катодно-поляризованном индикаторном электроде (р-ция О₂ + 4е^- + 4Н⁺ = 2H₂O). Ток восстановления определяется скоростью диффузии О₂ сквозь мембрану. Скорость, в свою очередь, зависит от толщины и проницаемости мембраны. Катодная поляризация индикаторного электрода осуществляется как от постороннего источника тока, так и с помощью растворимого анода (гальванич. сенсоры). Информативным параметром является предельный диффузионный ток при постоянном потенциале индикаторного электрода. Такие Э. с. имеют, как правило, линейную зависимость электрич. сигнала от парциального давления О₂ (или др. электроактивного газа), что обеспечивает более высокую точность определения по сравнению, напр., с потенциометрич. Э. с., в к-ром информативный параметр - равновесный (или квазиравновесный) электродный потенциал - имеет логарифмич. зависимость от содержания газа. Селективность Э. с. определяется выбором подходящего материала электрода и рабочей области потенциалов. При анализе смеси газов необходимо, чтобы электрохим. р-ции посторонних компонентов либо не имели места на данном электроде, либо протекали в области более высоких потенциалов.
Э. с. позволяют проводить анализ газообразных и жидких сред, в т. ч. суспензий, на содержание О₂, О₃, Н₂, С1₂, H₂S, оксидов N, С, S, причем без всякой пробоподготовки. Возможно определение концентраций, как больших (в случае выбросов, утечек загрязняющих газов и т. д.), так и малых -при контроле ПДК. Осн. эксплуатац. характеристики Э. с.: диапазон концентраций, чувствительность, селективность, быстродействие (время установления 90%-ного уровня сигнала), ресурс работы, отношение сигнал/шум. Диапазон концентраций Н₂ и O₂ составляет от 0 до 100% по объему, С1₂, SO₂, H₂S, CO - от 0,2 до 200 мг/м³ при быстродействии от 1 до 30 с.
Отдельно выделяют Э. с. для анализа биол. сред (биосенсоры). На индикаторном электроде биосенсоров закрепляется мембрана из целлофана с иммобилизованным ферментом (глюкозооксидаза, тирозиназа, фенолоксидаза, лакказа и др.). Определяют в-ва, к-рые изменяют скорость ферментативных р-ций: субстраты, ингибиторы, сами ферменты (см. Ферментативные методы анализа). Биосенсоры позволяют с высокой селективностью проводить автоматизир. анализ многокомпонентных систем на глюкозу, холестерин, мочевину, мочевую к-ту, аминокислоты и др. в-ва, содержание к-рых варьирует от 0,05 мкг/мл до 1 мг/мл. Налажен пром. выпуск Э. с. для контроля содержания глюкозы в крови. Перспективна разработка иммуноэлектрохим. сенсоров, в к-рых электрич. сигнал преобразуется специфич. взаимодействием антиген - антитело.

Рис. 2. Схема электрохимического сенсора, изготовленного методом фотолитографии (пояснения в тексте).

Перспективным для серийного произ-ва Э. с. считается формирование электродного узла чувствит. элемента с использованием микроэлектронных технологий. На рис. 2 показан единичный чип, полученный методом фотолитографии. На кремниевой пластине длиной 3 мм, шириной 0,8 мм и толщиной 0,38 мм размещена трехэлектродная электрохим. система: индикаторный электрод из Pt (1), вспомогат. электрод из Pt (2) и хлорсеребряный электрод сравнения (3).

Лит.: Богдановская В. А. [и др.], в кн.: Итога науки и техники, сер. Электрохимия, т. 31, М., 1990; Тарасевич М. Р. [и др.], там же, т. 35, М., 1992.

Г. В. Жутаева.