Принципы работы и устройство химических сенсоров

Химический сенсор — это измерительное устройство, обычно небольших размеров, способное непрерывно измерять концентрацию какого-либо компонента в потоке жидкости или газа и преобразовывать химическую информацию в электрический или оптический сигнал.

Химический сенсор состоит из химического селективного слоя датчика, дающего отклик на присутствие определяемого компонента и изменение его содержания, и физического преобразователя (трансдьюсера). Последний преобразует энергию, возникающую в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал, который затем измеряется с помощью светочувствительного и / или электронного устройства. Этот сигнал и является аналитическим, поскольку дает прямую информацию о составе среды (раствора). Химические сенсоры могут работать на принципах химических реакций, когда аналитический сигнал возникает вследствие химического взаимодействия определяемого компонента с чувствительным слоем, или на физических принципах, когда измеряется физический параметр (поглощение или отражение света, масса, проводимость). В первом случае чувствительный слой выполняет функцию химического преобразователя. Общая схема функционирования химических сенсоров изображена на рис. 1.

Селективная мембрана, разделяющая компоненты по размеру, заряду или другим параметрам (свойствам).

Рис. 1. Схема работы химического сенсора: Р — химически чувствительный слой, П — преобразователь сигнала, Э — электронный блок

Для повышения избирательности на входном устройстве химического сенсора (перед химически чувствительным слоем) могут размещаться мембраны, селективно пропускающие частицы определяемого компонента (ионообменные, диализные, гидрофобные и другие пленки). В этом случае определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану к тонкому слою химического преобразователя, в котором формируется аналитический сигнал на компонент. На основе химических сенсоров конструируют сенсорные анализаторы — приборы, предназначенные для определения какого-либо вещества в заданном диапазоне его концентраций. Эти анализаторы могут иметь малые габариты (иногда приближающиеся к размерам калькулятора или авторучки). Поскольку в их конструкции отсутствуют детали, претерпевающие механический износ, устройства характеризуются достаточно длительным сроком эксплуатации (до года и более). Объединенные в батарею и подключенные к компьютеру, химические сенсоры способны обеспечить анализ сложных смесей и дать дифференцированную информацию о содержании каждого компонента. В сенсорных анализаторах встроенные микросхемы позволяют вводить поправки на изменение температуры, влажности, учитывать влияние других компонентов среды, проводить градуировку и настройку нулевого значения на шкале показаний.

Оптические химические сенсоры работают на принципах поглощения света, или отражения первичного светового потока, или возникающей люминесценции. Эти сенсоры выгодно отличаются от электрохимических сенсоров тем, что нечувствительны к электромагнитным и радиационным полям и способны передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния. Кроме того, они имеют невысокую стоимость по сравнению с электрохимическими сенсорами и могут конкурировать с последними, особенно в случаях, когда применение электрохимических сенсоров неэффективно. Из оптических химических сенсоров перспективны сенсоры на основе волоконной оптики.