Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej

Uniwersytet Łódzki

ul.Tamka 12, 91-403 Łódź

Dr Paweł Krzyczmonik

Łódź, luty 2015 1

Plan wykładu

Sensory – podstawowe określenia

Sensor chemiczny – definicja (wg IUPAC)

Wstęp

Wiązanie hydrofobowe

Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego

Dopasowanie przestrzenne

Typy sensorów

3

Wstęp

Początek XX w. odkrycie szkła czułego na pH. 1908 elektroda szklana Z. Klemensiewicz

Lata trzydzieste pierwsze wysokooporowe elektrometry do pomiaru pH.

1966 - elektrody jonselektywne Ca2+ F- Ag+ S

2- .

1962- pierwsze elektrody enzymatyczne.

1959 – ogniwo tlenowe Clarka.

1977 – pierwszy raz użyto określenia biosensor.

1975 – pierwsze miniaturowe sensory optyczne.

4

Analit – substancja oznaczana znajdująca się w próbce w określonym stężeniu

Interferent - substancje znajdujące w matrycy próbki mające wpływ na sygnał analityczny otrzymany daną metodą

Matryca próbki - substancje towarzyszące składnikowi oznaczanemu (analitowi) w próbce.

Efekt interferencyjny (matrycowy) – wpływ obecności interferentu na wartość sygnału analitycznego

Efekty interferencyjne mogą być dodatnie, gdy zwiększają sygnał analitu lub ujemne, gdy powodują jego zmniejszenie. W przypadku oddziaływania stałej ilości interferenta na zmienne ilości analitu, zmiany sygnału mogą mieć stałą wielkość -efekt addytywny, lub wielkość proporcjonalną do stężenia analitu – efekt multiplikatywny. W tym ostatnim przypadku proporcjonalność może być złożoną funkcją

Sensory – podstawowe określenia

5

Granica oznaczalności (detection limit)– najniższe stężenie przy którym sygnał analityczny jest mierzalny (jest wyższy niż szum). Stężenie przy którym średnia wartość mierzonego sygnału analitycznego jest równa wartości dwóch odchyleń standardowych.

Czułość (sensivity) – Nachylenie krzywej odpowiedzi sensora wyrażone jako zmiana wartości sygnału na jednostkę stężenia analitu

Zakres dynamiczny (dynamic range) – zakres stężeń w których czułość jest większa od zera

Selektywność (selectivity) – zdolność do pomiaru stężenia tylko jednego analitu w obecności innych

Czas odpowiedzi (response time) – czas w którym wyjściowy sygnał osiąga 63% (1/e) wartości końcowej w odpowiedzi na skokową zmianę stężenia analitu. Używa się też wartości t95% tj. czasu odpowiedzi kiedy sygnał osiągnie 95% wartości końcowej.

Czas życia (life time) – okres czasu poprawnie działającego sensora (rozróżnia się okres przechowywania i okres pracy)

Specyficzność (specifity) – zdolność układu do reagowania tylko z jednym ściśle określonym analitem, a nawet tylko z jednym wybranym izomerem

Sensory – podstawowe określenia

6

Sensor chemiczny – definicja (wg IUPAC)

Sensor chemiczny to urządzenie, które przetwarza chemiczną informację, począwszy od stężenia określonego składnika próbki, po ogólny skład matrycy na sygnał użyteczny analitycznie.

Próbka analityczna

Część przetwornikowa

Część receptorowa

Sygnał analityczny

Zamiana informacji chemicznej na formę energii

Inne określenia i urządzenia pokrewne: • Czujnik • Detektor • Dozymetr • Aktuator

7

Typy sensorów

• Termiczne

• Masowe

• Elektrochemiczne

• Optyczne

• Potencjometryczne • Konduktometryczne • Amperometryczne

• Biosensory

8

Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego

Wzmocnienie

Rozpoznanie

9

SSXST aaa

X + S XS

kp

kl

minmax

dynamiczny SXSX aaZakres

XS

SX

l

p

xaa

a

k

kK

XS

SX

aa

aRTdGdG

ln0 0

X

XSTSX

Ka

aKaa

1

XSTSX aKaa

STSX aa max

Typy oddziaływań Rząd energii [kJmol-1]

Wiązanie kowalencyjne 10-50

Wiązanie wodorowe 0.2-2.5

Jon-jon 2.5-2.5

Siły Londona 0.2-2.5

Jonowo indukowany dipol 0.02-0.2

Dipol-dipol 0.02

Wiązanie hydrofobowe 0.07-0.1

1 Dla XKa

1 Dla XKa

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0 0.05 0.1 0.15 0.2

maxSXa

minSXa

aX – aktywność analitu aS – aktywność nieobsadzonych

centr aSX – aktywność analitu

związanego w centrach aST – całkowita aktywność centr

Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego

Jeśli K>104 to DG <-23 kJ mlo-1

10

i

sSiSXST aaaa

X + S XS

kp

kl

i

SiSX aaa0

XS

SX

l

p

xaa

a

k

kK

X

i

iiX

i

iiX

SToKaKa

aKa

aa1'

'

10

i

iiXX

i

iiXX

STaKaK

aKaK

aa

iS

Sii

aa

aK

X

ii

K

KK '

aX – aktywność analitu aS – aktywność nieobsadzonych

centr aSX – aktywność analitu

związanego w centrach aST – całkowita aktywność centr ai – aktywność interferentu aSi –aktywność interferentu

związanego w centrach a0 – aktywność centr

obsadzonych

Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego

- wspólczynnik selektywności

'

iK

11

X

i

i

iXK

aKa1'

X

i

ii

i

ii

SToKaK

aK

aa1'

'

X

X

i

iXK

aaKa1'

XXST aKaa 0

X

i

i

iXK

aKa1'

STaa 0

Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego

X

i

iiX

i

iiX

SToKaKa

aKa

aa1'

'

12

Wiązanie hydrofobowe (0.07-0.1 kJmol-1)

DG=H-DTS

DG>0 lub DG<0

Jeśli DG<0 i DH<0 to DS>>0

13

Dopasowanie przestrzenne

Dopasowanie geometryczne – Średnica długość, kąt itp.

Dopasowanie chemiczne – Zgodność odziaływania. DG>0 - Nie DG<0 - Tak

14

Literatura

1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, „Sensory chemiczne”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa 1999.

2. Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki „Miniaruryzacjia w analityce”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa 2005

2. J. Janata, „Principles of Chemical Sensors”, Springer, wyd. 2, 2009

3. P. Gründler, “Chemical Sensors, An Introduction for Scientists and Engineers”, Springer, 2007

4. P. N. Bartlett (ed.), “Bioelectrochemietry, fundamentals, experimental techniques and applications”, Willey & Sons, 2008.

5. W. Szczepaniak, „Metody Instrumentalne w analizie chemicznej”, PWN, W-wa 2010.

6. A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary Springer,2008

15

Dziękuje za uwagę