Curs Master-CA Curs 3

  • Published on
    28-Dec-2015

  • View
    16

  • Download
    0

Transcript

  • SENZORI POTENIOMETRICI PENTRU GAZE

    DEFINIIE. PRINCIPIU DE FUNCIONARE- Sunt celule electrochimice separate de probprintr-o membran permeabil pentru analitul n stare gazoas- Membrana permite transferul analitului spre interiorul celulei, dar impiedic accesul altor componeni ai probei.- n urma interaciunii dintre analit i componenii soluiei interne a celulei rezult compui care pot fi detectai cu ajutorul unui electrod indicator adecvat, permind determinarea indirect a analitului

  • PRINCIPIU CONSTRUCTIV AL UNUI SENZOR POTENIOMETRIC PENTRU GAZE

  • ELEMENTE CONSTRUCTIVE1- electrod indicator2- electrod de referin3- soluie de electrolit4- membran permeabil pentru gaze5- prob

  • SENZORUL POTENIOMETRIC PENTRU CO2

  • ELEMENTELE CONSTRUCTIVE1. electrod cu membran de sticl pentru pH2. electrod de referin intern3. soluie intern care coine NaHCO3 4. membran permeabil pentru CO25. membran de sticl6. film subire de soluie intern

  • MECANISMUL DE RSPUNS AL SENZORULUII -Bioxidul de carbon dizolvat n prob traverseaz membrana i se dizolv n soluia intern, stabilindu-se echilibrul:CO2(aq)ext CO2(g) CO2(aq)intOBS. dimensiunile porilor membranei i densitatea acestora se aleg astfel nct echilibrul s se stabileasc rapid n cteva minute

  • II- Gazul dizolvat n soluia intern particip la echilibrul:CO2(aq)int + H2O H+ + HCO3-Astfel se modific pH-ul soluiei interne i acest fapt poate fi pus n eviden cu ajutorul unui senzor de pH(electrodul cu membran de sticl)

  • Reacia total care descrie funcionarea senzorului:CO2(aq)ext + H2O H+ + HCO3-Cu constanta de echilibru:

  • activitatea CO2este proporionalcu presiunea parial a gazului n prob i ca urmare rezult:

    potenialul electrodului de pH:

  • Concentraia NaHCO3 n soluia intern este suficient de mare nct activitatea ionului HCO3- s nu se modifice semnificativ n urma reaciei care are loc.

    termenii k i k grupeaz toi factorii constani de mai sus.Relaia exprim dependena potenialului electrodului cu membran de sticlde presiunea parial a dioxidului de carbon n prob

  • SENZORI POTENIOMETRICI CU STRAT BIOCATALITIC- senzorii de acest tip se bazeaz pe conversia enzimatic a analitului, urmat de detecia poteniometric a unui produs de reacieExemplu:Determinarea ureii n probe biologice are la baz hidroliza acesteia catalizat de enzima ureaz CO(NH2)2 + 2H2O + H+ 2NH4+ + HCO3-NH4+ NH3 + H+

  • Amoniacul poate fi detectat cu un senzor specific. Aadar dac unui senzor de amoniac i se adaug un strat catalitic coninnd ureaz, rezult un senzor enzimatic pentru uree. Senzorul de amoniac ndeplinete funcia de traductor

  • Stratul biocatalitic poate fi: o enzim sau: un preparat biologic ce conine enzima respectiv. Utilizarea acestor preparate elimin necesitatea separrii enzimei i permite pstrarea activitii ei la valori ridicate

  • Preparatul biocatalitic este reinut la suprafaa senzorului prin metode fizice sau chimice. Cea mai simpl metod de fixare const n protejarea stratului biocatalitic cu o membran de dializ (celofan). Aceasta permite difuzia analitului din prob spre stratul biocatalitic dar mpiedic pierderea enzimei prin dizolvare n prob

  • PRINCIPIUL CONSTRUCTIV AL UNUI ELECTROD CU MEMBRAN BIOCATALITIC

  • ELEMENTE CONSTRUCTIVEa-membran externb-strat biocataliticc-membran internd-membran permeabil pentru gazee-soluie intern de electrolitf-electrod de pH combinatg-corpul electrodului

  • APLICAIIAstfel de senzori se aplic pentru determinri analitice n domeniul de concentraie 10-4 -10-2 mol/L pe baza unui grafic de etalonare.Timpul de rspuns este de ordinul minutelor i depinde de doi factori:- timpul necesar pentru atingerea unei stri staionaren stratul biocatalitic- timpul de rspuns al traductorului

  • DEZAVANTAJE- datorit labilitii biocatalizatorului timpul de via al stratului biocatalitic este relativ scurt. De aceea, senzorul se realizeaz astfel nct stratul biocatalitic s se poat nlocui frecvent cu un preparat proaspt cu activitate catalitic corespunztoare.Este important ca pH-ul s fie ajustat cu ajutorul unui sistem tampon

  • Avantaje:- principalul avantaj al acestor senzori este gradul avansat de specificitate conferit de biocatalizatorAplicai:-determinarea de compui organici n probe biologice sau n procese biotehnologice

  • SENZORI PENTRU IONI PE BAZ DE DISPOZITIVE SEMICONDUCTOAREProprietatea unor materiale de a lega selectiv anumii ioni permite realizarea de electrozi ioni selectivi. Funcionarea lor se bazeaz pe msurarea diferenei de potenial ntre feele unei membrane care se afl n contact cu proba pe de o parte i cu o soluie de referin pe de alt parte.

  • Cantitatea de electricitate localizat la interfa este corelat cu concentraia speciei chimice implicat n procesul de schimb ionic.Astfel de materiale sunt semiconductori iar dispozitivul electronic semiconductor se numit tranzistor cu efect de cmp El reprezint o alternativ la metoda de msurare specific electrozilor ion selectivi.

  • MATERIALE I DISPOZITIVE SEMICONDUCTOAREMaterialele semiconductoare se realizeaz pe baz de siliciu. Siliciu are patru electroni periferici pe care i folosete la formarea de legturi covalente cu ali patru atomi de siliciu. Ca urmare siliciu pur are o coductivitate electric exterm de mic. Conductivitatea crete n mod cosiderabil dac se recurge la doparea materialului cu elemente din grupele III sauV

  • Semiconductori de tip nAstfel dac se adaug urme de stibiu (element din gr. a V-a atomii acestui element ptrund n reeaua cristalin a siliciului formnd patru legturi covalente cu patru atomi de siliciu nvecinai. Un electron de la stibiu va rmne neimplicat ntr-o legtur chimic. Acest electron se poate deplasa liber sub influena unui cmp electric. Materialul semiconductor capt astfel o conductivitate mult mai mare. Aceast conductivitate se datoreaz un purttori de sarcinnegativ i se numesc semiconductori de tip n

  • Semiconductori de tip pDac elementul dopant face parte din grupa a III-a(indiu sau galiu) atomii acestor elemente vor aduce doar cte trei electroni de valen. Una din cele patru legturi de valen cu atomii de siliciu. Lipsa celui de-al doilea electro este echivalent cu o sarcin pozitiv (numit ,,gol sau ,,vacan Un electron provenit de la un atom nvecinat poate s ocupe acest gol n urma atraciei electrostatice formnd un alt gol. Sub aciunea unui cmp electric procesul se propag din aproape n aproape. Acesta este un semicoductor de tip p.

  • Aplicaiile semiconductorilor se bazeaz pe proprietile conductoare ale jonciunii ntre o zon de tip p i o zon de tip n.Sunt posibile dou situaii:- jonciune pn n stare de polarizare direct (A)- jonciune pn n stare de polarizare invers(B)

  • Cazul AAplicnd o surs de tensiune aa cum se indic n cazul A cmpul electric determin deplasarea purttorilor de sarcini n sensuri opuse urmat de neutralizarea lor reciproc n zona jonciunii. Procesul continu atta timp ct se aplic tensiunea

  • CazulBDac se aplic o polarizare conform cazului Bpurttorii de sarcin vor fi atrai de polii sursei prsind zona jonciunii ceea ce determin o rezisten exterm de mare

  • Senzori de tip ISFET-structur i mod de funcionareISFET=Ion Selective Field Effect Transistor

  • Elemente componenteDispozitivul cuprinde dou componente importante: membrana selectiv i placa semiconductoare, B,cu dou jonciuni pn cele dou zone de tip n fiind denumite surs,(S) i dren(D). ntre membran i straturile semiconductoare se interpune un strat subire de izolator (SiO2)

  • Sursa i drena sunt conectate la sursa de tensiune, UD,indiferent de polaritatea acesteia una dintre jonciunile np va fi polarizat invers. Ca urmare n absena altor influene, curentul iD va fi nul.Dac la interfaa membran soluie apar sarcini electrice acestea acioneaz asupra electronilor de valen din zona plcii B situat ntre surs i dren i denumit canal. Sub aciunea cmpului electric unii electroni din canal trec n stare de electroni liberi fcnd posibil conducia electric ntre surs i dren i astfel iD0

  • Determinrile analitice se pot realiza prin msurarea curentului de dren iD n funcie 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 muli senzori diferii pe aceeai plcu de siliciu semiconductor i astfel se pot determina simultan mai multe specii ionice simultan