Новые электрохимические сенсоры

Содержание

1. Введение

2. Электрохимические методы анализа

2.1. Вольтамперометрия

2.2. Потенциометрия

2.3. Амперометрия

2.4. Хронопотенциометрия

2.5. Кондуктометрия

3. Новые электрохимические сенсоры

4. Портативные приборы основанные на электрохимическом методе анализа

5. Заключение

6. Список литературы

 

 

Введение

Значимость аналитической химии для цивилизованного индустриального общества не вызывает сомнений. От уровня развития химического анализа, оснащенности лабораторий приборами и методами анализа в значительной степени зависит прогресс многих наук и технологий, безопасность и здоровье людей. Химический анализ служит средством контроля производства и качества продукции во многих отраслях народного хозяйства - начиная от металлургии и заканчивая производством парфюмерно-косметической продукции. Разведка полезных ископаемых и мониторинг окружающей среды также базируются на результатах химического анализа.

Основная часть химических анализов выполняется в стационарных лабораториях. Приборный парк стационарных лабораторий можно считать обеспеченным разнообразным оборудованием, реализующим большое количество методов. Но многие аналитические задачи целесообразно решать на месте отбора пробы. В частности, выполнение внелабораторного анализа актуально:

• для организации мониторинга окружающей среды;

• при решении геогидрохимических задач, например, связанных с исследованием распределения следовых концентраций металлов в различных водоемах при проведении разведки полезных ископаемых;

 • для аналитического контроля состава электролитов в непрерывных процессах гидрометаллургических, гальванических и других производств.

Словом, речь идет о задачах, связанных с оперативным контролем, как объектов окружающей среды, так и технологических процессов, когда требуется отслеживать изменение концентраций в режиме реального времени, а также об организации мониторинга удаленных объектов и территорий.

Наиболее эффективно такой контроль во внелабораторных условиях может быть осуществлен при помощи:

• портативных приборов, реализованных в автомобильном или переносном вариантах;

• систем автоматического анализа, установленных на месте отбора пробы и функционирующих без участия оператора в течение определенного периода времени[5].

С другой стороны, аналогичное оборудование и способы анализа могут использоваться и в лабораторных условиях.

 

 

Электрохимические методы анализа

Электрохимические методы анализа (электроанализ), в основе которых лежат электрохимические процессы, занимают достойное место среди методов контроля состояния окружающей среды, так как способны обеспечить определение огромного числа как неорганических, так и органических экологически опасных веществ. Для них характерны высокая чувствительность и селективность, быстрота отклика на изменение состава анализируемого объекта, легкость автоматизации и возможность дистанционного управления. И, наконец, они не требуют дорогостоящего аналитического оборудования и могут применяться в лабораторных, производственных и полевых условиях.[6]

Электрохимические методы анализа (ЭМА) основаны на исследовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в при электродном пространстве. Аналитическим сигналом служит электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией определяемого компонента раствора и поддающийся правильному измерению.

Существенное внимание уделяется электрохимическим ячейкам и датчикам аналитического сигнала (электродным системам, различным электрохимическим сенсорам), именно эти первичные электрохимические преобразователи определяют аналитические возможности любого метода. В настоящее время не представляет проблемы самая совершенная и быстрая обработка сигнала от датчика, расчет статистических характеристик, как исходного сигнала, так и результатов всего анализа в целом. Именно поэтому важно получить достоверный исходный сигнал, чтобы прокалибровать его в единицах концентрации.

Выделяют следующие электрохимические методы анализа:

· вольтамперометрические - I ≠ 0; E = f(t);

· потенциометрические - (I = 0);

· амперометрические - (I ≠ 0; E = const);

· хронопотенциометрические, E = f(t); I = const;

· импедансные, или кондуктометрические - измерения, использующие наложение переменного напряжения малой амплитуды.[2]

 

Вольтамперометрия.

Вольтамперометрия один из методов анализа, который динамично развивается в настоящее время. При сравнительной простоте оборудования он сочетает в себе высокую абсолютную чувствительность (до десятых или сотых микрограмма элемента в литре раствора), многоэлементное определение в одной пробе, экспрессность и легкость автоматизации операций.

Вольтамперометрия - количественный аналитический метод, посредством которого измеряется ток, протекающий через электрод, в то время как на этот электрод накладывается переменный сканирующий потенциал.[4].

 

Потенциометрия

Потенциометрия - применяется для определения различных физико-химических параметров исходя из данных о потенциале гальванического элемента. Электродный потенциал в отсутствие тока в электрохимической цепи, измеренный относительно электрода сравнения, связан с концентрацией раствора уравнением Нернста. В потенциометрических измерениях широко применяются ионоселективные электроды, чувствительные преимущественно к какому-то одному иону в растворе: стеклянный электрод для измерения рН и электроды для селективного определения ионов натрия, аммония, фтора, кальция, магния и др. В поверхностный слой ионоселективного электрода могут быть включены ферменты, и в результате получается система, чувствительная к соответствующему субстрату. Потенциал ионоселективного электрода определяется не переносом электронов, как в случае веществ с электронной проводимостью, а в основном переносом или обменом ионов. Однако уравнение Нернста, связывающее электродный потенциал с логарифмом концентрации (или активности) вещества в растворе, применимо и к такому электроду.

При потенциометрическом измерении составляют гальвонический элемент из индикаторного электрода, потанциал которого зависит от активности одного из компонентов раствора, и электрода сравнения и измеряют электродвижущую силу этого элемента.

При решении задач охраны окружающей среды найболее важен метод прямой потенциометрии с использование мембранных ионселективных электродов (ИСЭ) – ионометрия.

 

Амперометрия

Метод основан на измерении предельного диффузионного тока, проходящего через раствор при фиксированном напряжении между индикаторным электродом и электродом сравнения. При амперометрическом титровании точку эквивалентности определяют по излому кривой ток – объем добавляемого рабочего раствора. Хроноамперометрические методы основаны на измерении зависимости тока от времени и применяются в основном для определения коэффициентов диффузии и констант скорости. По принципу амперометрии (как и вольтамперометрии) работают миниатюрные электрохимические ячейки, служащие датчиками на выходе колонок жидкостных хроматографов. Гальваностатические методы аналогичны амперометрическим, но в них измеряется потенциал при прохождении через ячейку тока определенной величины. Так, в хронопотенциометрии контролируется изменение потенциала во времени. Эти методы применяются главным образом для изучения кинетики электродных реакций.

 

Хронопотенциометрия

 

Электрохимический метод исследования и анализа, основанный на изучении изменения электродного потенциала его времени при контролируемом значении тока электролиза. Различают прямую и инверсионную хронопотенциометрию. Чаще применяют первый вариант. В этом случае электролиз осуществляют в не перемешиваемом растворе определяемого электрохимически активного (электроактивного) вещества при большом избытке фонового электролита; при этом значение тока, как правило, превышает предельный диффузионный ток. Используют двух- и трехэлектродные ячейки. Регистрируют хронопотенциометрическую кривую - зависимость электродного потенциала рабочего электрода (на котором происходит электролиз) от времени.

У поверхности рабочего электрода постепенно уменьшается концентрация исследуемого вещества и соответственно изменяется электродный потенциал в сторону более отрицательного значений.

 

Кондуктометрия

Основана на измерении электропроводности раствора и применяется для определения концентрации солей, кислот, оснований и т.д. При кондуктометрических определениях обычно используют электроды из одинаковых материалов, а условия их проведения подбирают таким образом, чтобы свести к минимуму вклад скачков потенциала на обеих границах раздела электрод/электролит (например, используют переменный ток высокой частоты). Электропроводность однокомпонентного раствора можно связать с его концентрацией, а измерение электропроводности электролитов сложного состава позволяет оценить общее содержание ионов в растворе и применяется, например, при контроле качества дистиллированной или деонизованной воды.[11]

 

Новые электрохимические сенсоры

Идея электрохимического концентрирования вещества на поверхности электрода, выдвинутая более 50-ти лет назад, получила свое развитие в создании различных вариантов инверсионных электрохимических методов анализа, отличающихся такими важными качествами, как:

· возможность определения более 40 химических элементов периодической системы и многих органических веществ;

·  низкие пределы обнаружения, достигающие для некоторых металлов и органических веществ уровня следовых количеств;

·  высокая селективность и хорошие метрологические характеристики методик;

·  относительная простота технической реализации методов и сравнительная дешевизна приборов.

Эти достоинства инверсионных электрохимических методов объясняют повышенный интерес к данному направлению исследований. 

Инверсионные электроаналитические методы благодаря хорошим аналитическим и метрологическим характеристикам: низкий предел обнаружения, высокая чувствительность, селективность и быстродействие, позволяют успешно решать многие задачи аналитического контроля. Многообразие электродных реакций, электродных материалов (включая твердые вещества), конструкций электродов и режимов их поляризации определяет широкую область применения этих методов.

До недавнего времени развитие метода инверсионной вольтамперометрии сдерживалось необходимостью использования ртутных и углеродсодержащих электродов. Первые обладают высокой токсичностью, недостатком вторых является короткий срок службы и как следствие необходимость регенерации поверхности электродов. Эти проблемы нам удалось решить и создать целую гамму оригинальных сенсоров, включающую варианты долгоживущих сенсоров с обновляемой поверхностью электрода и разовых сенсоров на основе толстопленочных графитовых электродов.

Особого внимания заслуживают сенсоры на основе графитовых электродов, модифицированных микроколичествами соединений ртути, что исключает использование металлической ртути, а значит и введение ионов ртути в анализируемый раствор. По своим аналитическим характеристикам такие сенсоры практически не отличаются от общеизвестных, покрытых предварительно ртутью или работающих в режиме in situ. Сенсоры на основе толстопленочных графитовых разовых электродов можно применять как в лабораторных, так и в полевых условиях в комплекте с портативным оборудованием. Эти сенсоры позволяют проводить анализ высокоминерализованных вод без отделения матрицы с пределом обнаружения по тяжелым металлам 0,5 мкг/л, а в отдельных случаях до 0,1 мкг/л. Для анализа требуется малый объем пробы, регистрации сигнала не мешает кислород, растворенный в пробе. Существенными достоинствами сенсоров являются электрохимическая регенерация поверхности электрода, а также низкая стоимость.

Разработанные сенсоры и оборудование универсальны, их можно использовать для экологического контроля, в биологии, медицине, для анализа и контроля пищевых продуктов, в гидрохимии и для контроля технологических процессов.[1]