Цель лекции: объяснить слушателям принципы работы вольтамперометрических и хроноамперометрических электрохимических сенсоров и полярографов, дать представление о различных режимах их работы, об эффективных современных методах их применения. Привести примеры современных интеллектуальных электрохимических сенсоров, убедительно показывающие большие возможности, которые дает применение в таких сенсорах встроенных микрокомпьютеров, а также значимость и большой потенциал развития и дальнейшего совершенствования этих сенсоров.
17.1. Вольтамперометрические сенсоры
С целью повышения информативности электрохимического метода применяют вольтамперометрию – наблюдение за изменением (при изменениях состава контролируемого раствора) вольтамперной характеристики (" вольтамперограммы "), т.е. зависимости электрического тока через электрохимический элемент от приложенного напряжения.
Для записи вольтамперограммы контролируемый раствор заливают в электрохимическую ячейку с двумя или тремя электродами. Один из них ("измерительный" или "индикаторный") имеет относительно небольшие размеры. Площадь поверхности второго ("вспомогательного") намного больше, чтобы при протекании тока перепад потенциала на нем практически не изменялся. Как правило, в контролируемый раствор добавляют индифферентный электролит большой концентрации, чтобы уменьшить падение напряжения на его омическом сопротивлении. Для полной компенсации омического падения напряжения на электролите иногда применяют третий электрод ("электрод сравнения") и потенциостатирование.
В простейшем случае, прикладывая к электродам пошагово всё большее внешнее напряжение и измеряя протекающий ток, снимают "статическую" вольтамперную характеристику. Уже по ней можно судить о составе контролируемого раствора. Дело в том, что каждый вид ионов имеет свой характерный электрохимический потенциал. При постепенном повышении потенциала на измерительном электроде в электродную химическую реакцию вступают сначала ионы с наименьшим электрохимическим потенциалом. Это приводит к возрастанию тока. По набору потенциалов, при которых имеет место возрастание тока, можно судить о видах присутствующих в контролируемом растворе ионов. А по высоте пиков тока можно судить о концентрации соответствующего вида ионов в растворе. Ведь чем выше их концентрация, тем интенсивнее происходит электродная реакция, и тем больше протекающий ток.
При длительном использовании измерительного электрода в таком режиме на нем постепенно накапливаются продукты электролиза, которые начинают влиять на результаты измерений. Чтобы избавиться от этого, применяют индикаторные электроды из жидкого металла. Чаще всего это чистая ртуть или амальгама, заливаемая в стеклянный капилляр, из которого под действием силы тяжести происходит периодическое выкапывание и автоматическое обновление поверхности электрода. Такой электрод называют "ртутным" или "капельным". А разновидность вольтамперометрии с применением ртутного (капельного) электрода принято называть полярографией. В качестве вспомогательного электрода используют обычно каломельный или хлорсеребряный электроды.
Описанный метод "статической" вольтамперометрии и полярографии позволяет определять присутствие в растворе ионов в концентрациях от 10–5 моль/л и выше.
При вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала приложенное к электродам напряжение линейно возрастает со временем от одного до другого заданного значения, и отслеживаются изменения тока. Благодаря ускорению процесса наращивания потенциала и возможности дифференцировать получаемый сигнал по времени удается повысить чувствительность метода до 10–6 моль/л.
Дальнейшим развитием метода стала так называемая " циклическая вольтамперометрия ". При этом методе приложенное к электродам напряжение сначала линейно нарастет (рис 17.1, , б ). Относительно быстрая "треугольная" развертка потенциала на измерительном электроде позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов с участием интересующих пользователя ионов.
(рис 17.1) Объяснение метода циклической вольтамперометрии: а) зависимость приложенного напряжения от времени; б) циклическая вольтамперограммаПри малом напряжении ток остается относительно небольшим. Его иногда называют "фоновым". Вблизи точки $$A$$, когда приложенное напряжение становится сравнимо с контактной разностью потенциалов для исследуемых ионов, скорость электродных реакций и вместе с ней электрический ток через элемент начинают заметно возрастать. Концентрация ионов возле поверхности электрода падает. Чем выше скорость электрохимической реакции, тем быстрей эта зона обедняется, вследствие чего скорость реакции уменьшается. В некоторой точке $$B$$ ток достигает своего максимального значения и, несмотря на дальнейший рост приложенного напряжения, начинает спадать в направлении своего стационарного значения. При уменьшении напряжения, электрический ток продолжает уменьшаться, проходя через минимум вблизи от точки $$C$$.
Вид циклической вольтамперограммы зависит от всех особенностей происходящих в ячейке электрохимических реакций. Если электрохимические превращения возле электродов обратимы, то среднее арифметическое значение от напряжений, при которых достигаются максимум электрического тока (в точке $$B$$ ) и минимум (в точке $$C$$ ), равняется электродному потенциалу данного элемента. Если же реакции являются частично или полностью необратимыми, то это не имеет место, а минимум тока может вообще отсутствовать. Форма циклической вольтамперограммы зависит и от скорости изменения напряжения. Все это может давать исследователю много ценной информации относительно кинетики электрохимических процессов в исследуемом растворе и о его составе.
Еще более перспективной оказалась " вольтамперометрия переменного тока ". Потенциал измерительного электрода складывается при этом методе из линейно или ступенчато нарастающего напряжения постоянного смещения и переменного измерительного напряжения малой амплитуды в несколько милливольт. При этом измеряется не весь ток через измерительный электрод, а только его переменная составляющая, синхронная с переменным напряжением. Накладываемое переменное напряжение может быть синусоидальным, может иметь форму прямоугольного меандра (тогда говорят о " квадратноволновой вольтамперометрии ") или др.
Такой метод позволил повысить чувствительность обнаружения аналита почти на 2 порядка. Примерно такие же результаты дает " импульсна я вольтамперометрия ", при которой на напряжение постоянного смещения накладываются небольшие измерительные импульсы и измеряются синхронно связанные с ними импульсные приращения тока.
Почти во всех вариантах вольтамперометрии чувствительность обнаружения можно дополнительно повысить, стимулируя различными методами предварительное накопление аналита возле измерительного электрода или на нем. Чувствительность обнаружения может при этом достигать 10–9 - 10–10 моль/л.
Из множества возможных приведем лишь пару примеров применения вольтамперометрии. В работе [, стр. 265] описана методика определения методом циклической вольтамперометрии концентрации ионов $$Cu^+$$. Для этого использовались специфический комплексон таких ионов ДМФ (2, диметил-1, 10-фенантролин) и потенциостат BAS CV-1B. Чувствительность обнаружения составляла 5 нмоль/л.
В работе [] описана методика выявления таким методом присутствия в питьевой воде нитридов с чувствительностью 2 мкмоль/л и измерения их концентрации в диапазоне от 10 мкмоль/л до 1000 мкмоль/л.
17.2. Хроноамперометрические сенсоры
Еще большие информационные возможности даёт метод , который основан на анализе зависимости тока через электрохимический элемент от времени при ступенчатом, линейном или синусоидальном изменении приложенного напряжения. Используют и наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения. Для получения дополнительной информации применяют также такие внешние воздействия на электрохимический элемент, как изменение условий перемешивания исследуемого раствора, дозированное добавление по каплям других растворов, быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п. [, , ].
При использовании такого арсенала воздействий можно определять наличие и концентрацию в растворе почти всех видов ионов и многих органических молекул в широком диапазоне концентраций (от 10–10 моль/л до 1 моль/л), исследовать природу соответствующих электрохимических реакций и их подробные кинетические характеристики.
В наиболее общем виде результаты хроноамперометрических исследований представляют в виде двух взаимосвязанных графиков. Один из них – это зависимость приложенного напряжения от времени, а второй – это зависимость от времени силы тока через электрохимический элемент (]. На временнoй диаграмме отмечают также моменты или периоды дополнительных внешних воздействий на исследуемый раствор. Например, на приведенной хроноамперограмме цифрой 1 отмечен момент времени, когда было прекращено перемешивание раствора и скачком увеличено приложенное напряжение. Соответствующий участок хроноамперограммы позволяет наблюдать кинетику происходящих реакций в режиме диффузии ионов к электродам.
(рис 17.2) Пример простой хроноамперограммы: І - период наблюдения с непрерывным перемешиванием раствора (2-15 мин); 1 - момент прекращения перемешивания и увеличения приложенного напряжения; ІІ - период наблюдения без перемешивания раствораЕсли требуется, то вычисляют производную зависимости силы тока от времени и приводят соответствующий график. Или выполняют другие существенные преобразования получаемой информации, исходя из известной либо предполагаемой математической модели происходящих процессов. При наличии такой модели, используя результаты хроноамперометрического исследования, можно определить природу и находить кинетические характеристики происходящих в растворе химических реакций и реагирующих веществ.
В интеллектуальных сенсорах, с использованием встроенного в них микрокомпьютера, все требуемые для исследования раствора манипуляции и преобразования информации можно автоматизировать. Интеллектуальные сенсоры могут сами автоматически выполнять и уже наработанные, даже и сложные, методики (алгоритмы) исследований, и позволяют самому пользователю (без привлечения программиста) разрабатывать и запоминать новые методики.
17.3. Примеры интеллектуальных электрохимических сенсоров
В заключение из имеющегося большого разнообразия приведем лишь ряд примеров типичных современных интеллектуальных электрохимических сенсоров, предназначенных для различных целей. Начнем с традиционных, работающих с использованием внешнего персонального компьютера, а потом опишем ряд портативных.
17.3.1. Электрохимические анализаторы ИВА-5 и ТА-07
Вольтамперометрический анализатор "ИВА-5" российского Научно-производственного внедренческого предприятия "ИВА" предназначен для определения концентрации ионов меди, свинца, кадмия, железа, кобальта, хрома, цинка, никеля, молибдена, марганца, мышьяка, олова, ртути в природных, питьевых и сточных водах, в пищевых продуктах и в продовольственном сырье, в биологических жидкостях (фракции крови, моча) и т.д. Его внешний вид показан на рис 17.3.
(рис 17.3) Вольтамперометрический анализатор ИВА-5В его состав входят электронный блок размерами 250x175x75 мм, магнитная мешалка, комплект трехэлектродных электрохимических ячеек. Рабочий электрод здесь – графитовый, модифицированный так, чтобы уменьшить влияние на анализ органической составляющей анализируемого раствора. Электрод сравнения – хлорсеребряный (Ag /AgCl / KCl, 3M), вспомогательный электрод – стеклоуглеродный. Анализатор ИВА-5 работает в комплексе с персональным компьютером. Диапазон определяемых концентраций при анализе воды 0,1-10000 мкг/л, по ртути 0,01 – 500 мкг/л; при анализе пищевых продуктов – от 0,02 до 500 мкг/л. Расход пробы 1-10 мл на один анализ.
"Базовый анализатор ТА-07", показанный на рис 17.4, является более компактным. Он тоже работает с внешним персональным компьютером. В нем можно реализовать широкий набор методов электрохимического анализа: вольтамперометрию (прямую, инверсионную, циклическую), хроноамперометрию, кулонометрию. Возможны почти все варианты вольтамперометрии: на постоянном токе, ступенчатая, на переменном токе синусоидальная с фазовым разделением активной и ёмкостной составляющих, квадратно-волновая, импульсная нормальная и дифференциальная.
(рис 17.4) Базовый анализатор ТА-07Используются автоматический подъем электродов с поворотом для удобной смены стаканчиков и электродов, вибрационное перемешивание, стаканчики из чистого плавленого кварца, УФ облучатель для деактивации органических веществ и кислорода. Анализатор позволяет определять концентрации широкого набора примесей (Zn, Cd, Pb, Cu, Hg, As, Fe, Se, Sb, Sn, Сr, Bi, Mn, Co, Ni, Au, Ag, иод, анилин, витамины В1, В2, С и др.) в диапазоне от 0,05 до 10000 мкг/л.
17.3.2. Полярографы
Промышленно выпускаются и продаются интеллектуальные полярографы с использованием персональных компьютеров. Здесь можно назвать, например, дифференциальный импульсный полярограф фирмы IBM Model EC225, а также полярограф АВС-1.1 и потенциостат PS-7 российской фирмы "НПП ЭКОНИКС".
Полярограф АВС-1.1 является "…универсальным компьютерным комплексом нового поколения для вольтамперометрического анализа на присутствие тяжелых металлов в питьевой воде, в естественных и сточных водах, в продуктах питания и в продовольственном сырье, в биологических и других материалах. Соединяет в себе современные достижения в области вольтамперометрической техники измерений с сервисными возможностями компьютерного управления анализом, обработки и протоколирования данных" []. Полярограф, в частности, реализует методики инверсионной и циклической вольтамперометрии. Госстандарт Российской Федерации рекомендует его для измерений содержания токсических элементов (меди, свинца, кадмия, цинка) в пищевых продуктах (ГОСТ Р 51301-99).
Чувствительность обнаружения составляет: 0,1 мкг/л для $$Cd, Pb, Ni$$ ; 0,15 мкг/л – для $$Hg$$ ; 0,5 мкг/л – для $$Cu$$ ; 10 мкг/л – для $$Zn$$. Время одного анализа (без приготовления пробы) не превышает 10 мин. Благодаря высокой чувствительности, низкой стоимости и экспрессности анализов, полярограф является экономичной альтернативой дорогим спектроскопическим приборам и успешно конкурирует с ними в практике анализа тяжелых металлов. Программное обеспечение и система встроенных меню позволяют программировать гибкое управление измерениями и обработкой результатов, предоставляют удобный интерфейс для обмена оперативной информацией.
Основные области применения полярографов: научно-исследовательские учреждения; лаборатории гальванических производств; контроль питьевой, морской, родниковой воды, стоков; анализ состава крови и плазмы крови; контроль пищевых продуктов, их составляющих, фармацевтических препаратов и сырья для них; контроль технологии изготовления особо чистых материалов, в том числе для высокотехнологической электроники и т.д.
17.3.3. Тестер алкогольного опьянения и анализатор воды
На рис 17.5 слева показан электрохимический сенсор Alcotest 7410 Plus фирмы Drager, предназначенный для обнаружения и определения степени алкогольного опьянения человека.
(рис 17.5) а) Электрохимический сенсор Alcotest 7410 Plus. б) Анализатор воды WATER TESTМасса сенсора – около 0,5 кг, размеры 230x70x34 мм. Сенсор измеряет концентрацию алкоголя в воздухе, который выдыхает человек, в диапазоне от 0 до 10 промилле с точностью $$\pm$$ 0,05 промилле. Отбор пробы осуществляется через накладной мундштук. Очень малое аэродинамическое сопротивление выдоха позволяет проводить измерения даже в режиме "пассивного" дыхания, когда пациент не желает делать интенсивный выдох. Но совсем не дышать он ведь тоже не может.
Встроенные электронные часы точно хронометрируют дату и время измерения. Сенсор автоматически составляет по узаконенной форме протокол измерения, который тут же может быть выдан на принтер. Память данных сенсора позволяет хранить до 9700 протоколов измерения, а потом передавать их во внешний компьютер. Сенсор нуждается в поверке и калибровке лишь один раз в полгода. Процесс калибровки автоматизирован. Перекрестная чувствительность к другим газам, например к ацетону или бензину, – отсутствует.
На рис 17.5 справа показан интеллектуальный электрохимический сенсор WATER TEST компании Hanna Instruments. Этот портативный прибор позволяет быстро и точно измерить четыре важнейших гидрохимических параметра: $$pH$$, Red-Ox-потенциал, электропроводность и температуру воды. Он удобен и прост в обращении. Для проведения измерений достаточно залить исследуемый раствор в кювету прибора, выбрать из меню измеряемый параметр и считать показание дисплея. Всё остальное сенсор делает сам. Его широко применяют для контроля за качеством воды в технологических процессах водоподготовки, для санитарного контроля воды в бассейнах, при экологических исследованиях и т.д.
17.3.4. Портативный анализатор дымовых газов
В качестве следующего примера портативного интеллектуального электрохимического сенсора кратко опишем анализатор дымовых газов "Testo 330-3" (рис 17.6).
(рис 17.6) Слева – общий вид портативного анализатора дымовых газов "Testo 330-3", справа – сенсор в процессе работы со сменным электрохимическим зондомОн предназначен для контроля, наладки работы и обслуживания котлов и других теплогенераторов, работающих на природном газе или пропане, на мазуте или дизтопливе, угле и т.п. Его масса – 0,6 кг, размеры 270x90x65 мм. Вместе с удобными сертифицированными электрохимическими сменными зондами сенсор обеспечивает измерение содержания кислорода в диапазоне от 0 до 21 объемных % , угарного газа ( $$CO$$ ) – в диапазонах от 0 до 4000 ррm или от 500 ррm до 30000 ррm, окислов азота ( $$NO_X$$ ) в диапазоне от 0 до 3000 ррm, $$CO_2$$ в диапазоне от 0 до 1 объемных % (0 ... 10000 ррm ).
Кроме того, сенсор обеспечивает тщательный контроль и нахождение мест возможного просачивания горючих газов, измерение выносными зондами температуры пламени до 1200 $$\deg$$ С, давления и дифференциального давления газов, тяги, потока газа, КПД горелки, тестирование герметичности газового тракта. С таким интеллектуальным сенсором специалист-теплотехник может быстро и оптимально отрегулировать горелку, тягу, проконтролировать все функции теплогенератора, устранить выявленные недостатки.
Все данные и рабочие меню выводятся на удобный графический дисплей 240x160 пикселей. Результаты измерений фиксируются в памяти, где могут храниться до 200 блоков данных и при необходимости через инфракрасный порт передаваться на принтер. Микрокомпьютер сенсора выполняет функции самодиагностики, диагностики состояния фильтров и электрохимических сенсоров и автоматической калибровки. Для общения с внешним компьютером имеется USB порт.
17.3.5. Интеллектуальные электрохимические глюкометры
По данным Всемирной организации здравоохранения сейчас в мире зарегистрировано до 200 млн. людей, больных сахарным диабетом. Поэтому из интеллектуальных электрохимических сенсоров наиболее известны как раз глюкометры – сенсоры для измерения концентрации глюкозы в крови человека. Официально аттестованы и выпускаются уже десятки типов портативных электрохимических глюкометров [], которые требуют для измерения капельку крови объёмом меньше 1 мкл. Один из них – глюкометр "FreeStyle", являющийся по принципу своего действия кулонометрическим электрохимическим сенсором и рассчитанный на работу с одноразовыми тестовыми полосками – уже описан в предыдущей лекции.
Менее известными являются портативные интеллектуальные электрохимические сенсоры, предназначенные для ]. Глюкометр CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ (CGMS – Continuous Glucose Monitoring System) состоит из двух частей (рис 17.7). В период наблюдения пациент носит их на себе. Тоненький ферментный электрод, показанный в крупном масштабе на рисунке справа, вводят под кожу на глубину 4-6 мм, как правило, в области брюшины и надёжно закрепляют гигиеническим пластырем на поверхности кожи.
Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент носит этот сенсор в течение нескольких суток, ведя обычную активную жизнь. Каждые 10 секунд сенсор сам автоматически проводит кулонометрическое измерение концентрации глюкозы в подкожной ткани, пересчитывает результат измерения на концентрацию глюкозы в крови и каждые 5 мин. вычисляет и запоминает среднее значение концентрации за прошедшую пятиминутку. Всего за сутки накапливается 288 результатов измерения. Результаты последнего измерения и среднее значение за последнюю пятиминутку можно увидеть на дисплее монитора.
(рис 17.7) Портативный интеллектуальный сенсор CGMS System Gold для наблюдения в течение нескольких суток за изменениями концентрации сахара в крови человека: слева – расположение блоков сенсора на теле человека в процессе наблюдения; справа – ферментный электрод в крупном масштабеВ случае выявления угрожающей гипо- или гипергликемии сенсор может сообщать об этом с помощью звукового сигнала и соответствующей информации на мониторе.
В монитор с помощью специальных символов рекомендуется вводить данные о таких важных событиях, как прием пищи, инъекция инсулина, занятие спортом или продолжительная физическая нагрузка, ощущение гипогликемии и т.д. Вместе с датой и временем суток они тоже запоминаются монитором.
Ферментный электрод изготавливают из максимально биологически совместимых материалов. Но тем не менее человеческое тело реагирует на электрод как на инородное тело и постепенно обволакивает его защитными веществами, из-за чего чувствительность сенсора снижается. Поэтому спустя некоторое время следует делать повторную калибровку []. Производитель рекомендует проводить калибровку монитора 4 раза в сутки, выполняя параллельные измерения уровня сахара на независимом контрольном приборе по капле крови. Полученное значение вводят в монитор, который затем выполняет калибровку автоматически. Диапазон измерения – от 40 мг % до 400 мг %.
Когда после окончания периода наблюдения пациент приходит к врачу, накопленные в памяти монитора данные передаются на медицинский компьютер, в котором с помощью соответствующей программы анализируются и выводятся на экран в виде графика (рис 17.8). По горизонтали здесь отложено время суток, а по вертикали – концентрация глюкозы в моль/л. Как видим на примере представленного графика, концентрация глюкозы в крови у диабетиков не является постоянной величиной и может значительно изменяться со временем в зависимости от обстоятельств жизни.
(рис 17.8) Пример графика изменения концентрации глюкозы в крови больного сахарным диабетом человека в течение суток, зарегистрированного сенсором CGMS System GoldЛегко убедиться, что даже у хорошо мотивированного и дисциплинированного пациента, который измеряет свой уровень сахара 3-4 раза в сутки, бoльшая часть дня и особенно ночи остаются вне контроля. И опасные эпизоды, во время которых концентрация глюкозы в крови недопустимо возрастает или падает, проходят незамеченными.
Непрерывное исследование с помощью интеллектуального сенсора типа CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни. Анализ графика врачом вместе с больным наглядно демонстрирует больному сахарным диабетом влияние разных факторов повседневной жизни на течение его болезни, помогает лучше мотивировать на здоровый образ жизни и на соблюдение рекомендаций врачей [, , , ].
Важной вехой в совершенствовании глюкометров для больных диабетом первого рода, вынужденных пользоваться инсулином, стало объединение глюкометра с автоматической инсулиновой помпой. Одной из первых таких разработок, успешно доведенных до промышленного выпуска, стала ).
Портативная система "DANA Diabecare IIS" содержит современный биосенсорный глюкометр, требующий для анализа минимальный объем крови, и инсулиновую помпу. Их совместную работу организует микрокомпьютер. Полученные результаты измерения глюкозы не только выводятся на дисплей, но и непосредственно используются для автоматического расчета и введения требуемой дозы инсулина. При выходе уровня сахара в крови за установленные границы, автоматически подаются сигналы тревоги.
(рис 17.9) Портативная инсулиновая помпа DANA Diabecare IIS со встроенным глюкометром: 1 – отделение для инсулинового резервуара; 2 – окошко для определения оставшегося количества инсулина; 3 – кнопки управления; 4 – ЖК дисплей; 5 – коннектор для прикрепления инфузионного набора; 6 – пластиковый катетерВ отделение 1 вставляют съемный инсулиновый резервуар ёмкостью 3 мл (300 ЕД инсулина). Количество имеющегося в нем запаса инсулина можно увидеть через мерное окошко 2. Управление работой системы осуществляется с помощью удобной клавиатуры 3, состоящей из 4-х кнопок. Кнопки со стрелками могут работать в режиме "прокрутки" (если держать кнопку нажатой, то устанавливаемое значение непрерывно изменяется, или указатель непрерывно перемещается по списку). Вся необходимая для пользователя информация высвечивается на жидкокристаллическом дисплее 4 площадью 8 см2. При недостаточном внешнем освещении дисплей автоматически подсвечивается изнутри.
Инсулиновая помпа, кроме резервуара, содержит коннектор (соединитель) 5 для прикрепления инфузионного набора через пластиковый катетер 6 и находящийся внутри основного корпуса миниатюрный насос для прокачивания и впрыскивания через инфузионный набор необходимой дозы инсулина. Состав инфузионного набора показан на рис 17.10. Тонкая игла, выполненная из высококачественной стали, обеспечивает поступление инсулина в подкожную жировую клетчатку. Фиксатор надежно прикрепляет иглу к поверхности кожи, а клипсовый соединитель обеспечивает легкое соединение и отсоединение иглы и катетера. Вид иглы и длину катетера подбирает лечащий врач.
(рис 17.10) Инфузионный набор инсулиновой помпы DANA Diabecare IISИнсулиновая помпа с микропроцессорным управлением обеспечивает разные режимы введения инсулина, предписанные лечащим врачом, с точностью до 0,01 условной единицы. Вводимые дозы тщательно учитываются. При их автоматическом расчете, кроме текущего уровня глюкозы в крови, учитываются также планируемое количество углеводов в предстоящей еде, индивидуальная чувствительность к конкретному виду инсулина, целевой уровень глюкозы в крови и заданная лечащим врачом тактика. Использование точного режима введения инсулина позволяет достичь оптимальной компенсации сахарного диабета, отдалить во времени его тяжелые последствия или вовсе избежать их. Для документирования в памяти системы сохраняются 100 последних введенных доз, 100 последних суточных доз инсулина, 100 последних заливок инсулина и 100 последних сигналов тревоги.
В мире рядом фирм и научно-исследовательских организаций ведутся также работы по созданию имплантируемых в тело больного человека биочипов для непрерывного контроля за уровнем глюкозы в крови. О создании одного из таких биочипов размером 4x2x0,5 мм сообщается, например, в []. На физиологических растворах глюкозы, работая по амперометрическому принципу, биочип показывает довольно хорошие результаты в диапазоне концентраций глюкозы от 0,1 ммоль/л до 13 ммоль/л со временем реакции 50 с. Сопряженный с инсулиновой помпой типа описанной выше, такой биочип еще больше облегчит жизнь больного диабетом первого типа.
17.3.6. Биохимические экспресс-анализаторы крови CardioChek
Биохимические экспресс-анализаторы крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ (рис 17.11) являются еще одним примером диагностического оборудования типа "point-of-care" – диагностики на дому, на работе или в любом другом месте наблюдения пациента. Они позволяют врачу быстро провести самые необходимые биохимические исследования крови пациента, оперативно диагностировать состояние его здоровья и принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.
(рис 17.11) Биохимический экспресс-анализатор крови CardioChek (слева) и пояснения по его применению (справа)Анализатор вместе с набором необходимых тестовых панелек легко помещается в карман или в сумку врача. Он позволяет за считанные минуты провести исследование крови пациента на целый ряд очень важных биохимических параметров – в зависимости от имеющегося набора тестовых панелек. Стадии тестирования показаны на рис 17.11 справа вверху. Это – забор необходимого количества крови пациента; дозированное нанесение необходимого объема крови на вставленную в анализатор тестовую панельку; через несколько десятков секунд считывание результата тестирования. Каждая тестовая панелька представляет собой биоселективный электрохимический электрод, нацеленный на измерение соответствующего биохимического показателя крови или одновременно нескольких показателей. Набор панелек (показан на рис 17.11 справа внизу) достаточно широк и включает:
"Общий холестерин" (диапазон измерений: 2,59-10,36 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Глюкоза" (диапазон измерений: 1,11-33,3 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Креатинин" (диапазон измерений: 17,7-884 мкмоль/л; требуемый объем крови 20 мкл);
"Кетоновые тела" (диапазон измерений: 0,19-6,72 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Триглицериды" (диапазон измерений: 0,56-5,65 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Липопротеиды высокой плотности" (диапазон измерений: 0,39-2,59 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Липопротеиды низкой плотности" (диапазон измерений: 1,29-5,18 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Липидный спектр" (диапазоны измерений указаны выше; требуемый объем крови 40 мкл);
"Метаболический синдром" (глюкоза, триглицериды, липопротеиды высокой плотности; требуемый объем крови 40 мкл).
Экспресс-анализаторы крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ используются врачами скорой и неотложной помощи, сельскими и семейными врачами, а также в медсанчастях, фельдшерских пунктах, не имеющих собственной лаборатории, и даже в лабораториях лечебных учреждений с небольшой тестовой нагрузкой порядка 100-1000 анализов в год. Для таких лечебных учреждений приобретение экспресс-анализатора крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ и наборов тестовых панелек к нему оказывается дешевле, чем создавать и содержать собственную лабораторию.
17.3.7. "Лаборатории на чипе"
С использованием ХЧПТ в ряде передовых фирм разрабатываются так называемые "лаборатории на чипе" ("lab-on-a-chip"). Например, исследователи Калифорнийского технологического института, университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и компании IRIS International совместно разработали портативный интеллектуальный сенсор размером с мобильный телефон, который автоматически выполняет анализ крови человека, используя лишь 1-2 капли. Сенсор предназначен, в первую очередь, для космонавтов во время их продолжительных полетов в космос. Можно, правда, использовать там анализатор крови типа описанного выше. Но в космосе приходится экономить каждый лишний грамм массы, особенно при продолжительных путешествиях, например, к Марсу или Венере.
Интеллектуальный сенсор для автоматического проведения за 2-3 мин. анализа крови непосредственно в космосе показан на рис 17.12. Внутри кристалла кремния с помощью микросистемной технологии сформированы не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и крохотные жидкостные насосы, вентили и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. Когда капля крови попадает в небольшой приемный резервуар, к ней для предотвращения свертывания крови автоматически добавляются антикоагулянты. Затем она перекачивается в контейнер для разбавления, а из него – в сепаратор. Там клетки крови автоматически сортируются по размерам с использованием законов гидродинамики.
(рис 17.12) Портативный интеллектуальный сенсор для проведения анализа кровиКаждая фракция через свой канал прокачивается в оптоэлектронный счетчик, который подсчитывает число проходящих сквозь него клеток (телец) крови – лейкоцитов, эритроцитов и т.д. Определяются концентрация гемоглобина, РОЕ. А затем с помощью биоселективных МДП транзисторов, на затворах которых иммобилизованы соответствующие ферменты или антитела, определяется наличие и концентрация ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий.
Разработчики считают, что созданный чип довольно гибок, и с помощью соответствующих модификаций его можно будет настроить даже на выполнение онкологических тестов с целью раннего выявления раковых заболеваний, если иммобилизовать на затворах МДП транзисторов белковые маркеры раковых клеток.
Аэрокосмический центр им. Маршала (NASA) разработал миниатюрную "лабораторию на чипе", предназначенную для выявления следов жизни на Марсе путем анализа в биоселективных электрохимических элементах растворов марсианского грунта или льда на наличие аминокислот, ДНК, РНК, бактерий, спор.
Немецкая фирма STMicroelectronics вместе с сингапурской медицинской фирмой Veredus Laboratories разработала специализированные одноразовые сенсорные микросхемы для распознавания разных штаммов вируса птичьего гриппа H5N1 (рис 17.13). Сенсорная микросхема содержит ХЧПТ, на затворах которых высажены антитела различных штаммов вируса. Если в контролируемом растворе имеются вирусы того или иного штамма, то антитела распознают их, присоединяют, и на выходе соответствующего ХЧПТ появляется сигнал.
(рис 17.13) Специализированные одноразовые сенсорные микросхемы для распознавания разных штаммов вируса птичьего гриппа H5N1В то время как при использовании прежних методов для получения результата требовалось несколько дней плюс время на транспортировку в спецлабораторию, анализ с помощью разработанной сенсорной микросхемы можно выполнить на месте в течение одного часа. И тем самым можно сберечь жизнь тысячам домашних птиц, которые до сих пор становились жертвами преждевременных "профилактических зачисток".
17.3.8. Сканирующий электрохимический микроскоп
В таком микроскопе гальванический электрод с очень острым концом сканирует под управлением компьютера вдоль поверхности исследуемого образца, покрытой специальным вспомогательным раствором. В зависимости от электрохимических свойств локального участка поверхности образца изменяется разность потенциалов между электродом и образцом (или вспомогательным электродом сравнения) либо электрический ток, протекающий через электрод при приложенном извне напряжении. Запоминая получаемый сигнал, компьютер строит увеличенное изображение поверхности образца. На этом изображении хорошо видны "электрохимические неоднородности", обусловленные наличием вкраплений различных веществ.
Разработаны различные варианты получения сигналов, позволяющие, меняя состав раствора, модифицируя электрод, применяя вспомогательный электрод и соответствующие редокс системы, настраиваться на выявление на поверхности образца мест расположения различных аналитов.
Краткие итоги
Вольтамперометрический сенсор отслеживает зависимость электрического тока через исследуемый раствор от приложенного напряжения. Разработано много разных вариантов вольтамперометрии, позволяющих повысить информационные возможности сенсора и чувствительность к различным аналитам. В методе циклической вольтамперометрии, например, приложенное к электродам напряжение сначала линейно возрастает, а потом уменьшается до исходного значения. Вольтамперограмма имеет вид замкнутой кривой, вид которой зависит от всех особенностей электрохимических реакций. Это может давать исследователю много ценной информации не только о его составе, но и о кинетике электрохимических процессов в исследуемом растворе.
При вольтамперометрии переменного тока на линейно или ступенчато нарастающий потенциал измерительного электрода накладывается переменное измерительное напряжение малой амплитуды, и измеряется только соответствующая переменная составляющая тока. Такой метод позволил повысить чувствительность обнаружения аналита почти на 2 порядка.
Метод хроноамперометрии основан на анализе зависимости тока через электрохимический элемент от времени при различных способах изменения приложенного напряжения. Используют и наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения. Для получения дополнительной информации применяют также такие внешние воздействия на электрохимический элемент, как изменение условий перемешивания исследуемого раствора, дозированное добавление по каплям других растворов, быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п. Чувствительность описанных методов можно дополнительно повысить, стимулируя различными методами предварительное накопление аналита возле измерительного электрода.
Благодаря всему этому, с помощью вольтамперометрических и хроноамперометрических сенсоров можно определять наличие и концентрацию в растворе почти всех видов ионов и многих органических молекул в широком диапазоне концентраций (от 10–10 моль/л до 1 моль/л), исследовать природу и подробные кинетические характеристики соответствующих химических реакций.
В настоящее время разработаны и широко применяются многие виды интеллектуальных электрохимических сенсоров. Среди них: электрохимические анализаторы широкого профиля и полярографы, анализаторы воды, напитков и тестеры алкогольного опьянения, анализаторы дымовых газов и портативные глюкометры, экспресс-анализаторы крови и даже "лаборатории на чипе". Имеется большой потенциал и для создания новых, еще более совершенных интеллектуальных электрохимических сенсоров.
Набор для практики
Вопросы для самопроверки
Что такое "вольтамперограмма"?
Какие сенсоры называют "вольтамперометрическими"?
Чем отличаются вольтамперометрия и "полярография"?
Какие сенсоры называют "хроноамперометрическими"?
Назовите описанные в данной лекции интеллектуальные электрохимические сенсоры.
Что такое "глюкометры"? Почему они столь важны и широко известны?
Зачем нужен непрерывный мониторинг глюкозы? Как он осуществляется?
Для чего предназначены экспресс-анализаторы крови?
Что такое "лаборатория на чипе"?
Как работает сканирующий электрохимический микроскоп?
Упражнения
Упражнение 17.1. Чем отличаются различные варианты вольтамперометрических сенсоров? Кратко охарактеризуйте особенности следующих методов вольтамперометрии:
Вариант 1. "Статическая" вольтамперометрия.
Вариант 2. Полярография.
Вариант 3. Вольтамперометрия с линейной разверткой потенциала.
Вариант 4. Циклическая вольтамперометрия.
Вариант 5. Вольтамперометрия переменного тока.
Вариант 6. Квадратноволновая вольтамперометрия.
Вариант 7. Импульсная вольтамперометрия.
Упражнение 17.2.
Вариант 1. Перечислите возможные внешние воздействия на электрохимическую ячейку при хроноамперометрическом исследовании раствора.
Вариант 2. Каким образом обычно представляют результаты хроноамперометрического исследования? Приведите пример.
Вариант 3. Какие преимущества может дать введение в хроноамперометрический сенсор встроенного микрокомпьютера?
Вариант 4. Какую роль играет при хроноамперометрическом исследовании наличие математической модели происходящих в электрохимической ячейке процессов?
Упражнение 17.3. Опишите кратко ниже названные интеллектуальные электрохимические сенсоры. Постарайтесь ответить на такие вопросы: Для чего он предназначен? Какие электрохимические методы использует (может реализовать)? Он работает с внешним компьютером или имеет встроенный микрокомпьютер? Какие возможности предоставляет он пользователю?
Вариант 1. Анализатор "ИВА-5".
Вариант 2. Анализатор "ТА-07".
Вариант 3. Полярограф "АВС-1.1".
Вариант 4. Электрохимический сенсор "Alcotest 7410 Plus".
Вариант 5. Электрохимический сенсор "WATER TEST".
Вариант 6. Анализатор "Testo 330-3".
Упражнение 17.4. Для чего предназначены биоанализаторы крови? Опишите кратко ниже названные типы биоанализаторов крови. Постарайтесь ответить на такие вопросы: Для каких именно анализов он предназначен? Какие электрохимические методы использует? Какие особые возможности предоставляет он пользователю?
Вариант 1. Биосенсор "CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ ".
Вариант 2. Портативная система "DANA Diabecare IIS".
Вариант 3. Биохимический анализатор "CardioChek™".
Вариант 4. Интеллектуальный сенсор для проведения анализа крови в космосе.
Вариант 5. Интеллектуальный сенсор для выявления проявлений жизни на Марсе.
Вариант 6. Сенсорная микросхема для распознавания штаммов вируса птичьего гриппа.
Ответы
Ответы на вопросы
1. "Вольтамперограмма" – это представленная графически зависимость электрического тока через электрохимический элемент от приложенного напряжения.
2. "Вольтамперометрическими" называют электрохимические сенсоры, у которых первичные информационные сигналы появляются в виде изменений вольтамперной характеристики.
3. "Полярография" является одной из разновидностей вольтамперометрии, когда в качестве измерительного применяется ртутный (капельный) электрод.
4. "Хроноамперометрическими" называют электрохимические сенсоры, у которых первичные информационные сигналы появляются в виде изменений на зависимости тока через электрохимический элемент от времени.
5. Из описанных в данной лекции интеллектуальных электрохимических сенсоров можно назвать: вольтамперометрический анализатор "ИВА-5"; базовый анализатор ТА-07; полярограф АВС-1.1; анализатор воды WATER TEST; анализатор дымовых газов "Testo 330-3"; монитор уровня глюкозы в крови человека "CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ "; экспресс-анализатор крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ и др.
6. "Глюкометры" – это сенсоры для измерения концентрации глюкозы в крови человека. В них периодически или повседневно нуждаются больные диабетом. А число таких больных, по данным Всемирной организации здравоохранения, приближается уже к 200 млн. человек. Поэтому-то они столь важны и широко известны.
7. Непрерывный мониторинг концентрации глюкозы в крови позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного диабетом, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни. Анализ графика врачом вместе с больным наглядно демонстрирует больному сахарным диабетом влияние разных факторов повседневной жизни на течение его болезни, помогает лучше мотивировать на здоровый образ жизни и на соблюдение рекомендаций врачей. Для мониторинга под кожу больному в области брюшины на глубину 4-6 мм вводят тоненький ферментный электрод, который надёжно закрепляют гигиеническим пластырем. Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент носит этот сенсор в течение нескольких суток, ведя обычную активную жизнь.
8. Экспресс-анализаторы крови предназначены для экстренной медицинской диагностики на месте аварии, катастрофы, чрезвычайной ситуации, дома, на работе или в любом другом месте наблюдения пациента. Они позволяют врачу быстро провести самые необходимые биохимические исследования крови пациента и оперативно диагностировать состояние его здоровья, принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.
9. "Лаборатория на чипе" – это портативный интеллектуальный сенсор, выполненный, как правило, на химически чувствительных полевых транзисторах и позволяющий оперативно произвести химический или биохимический анализ растворов или газовых смесей на наличие и концентрацию одновременно многих компонентов. Например, сенсор для автоматического анализа крови в космосе определяет клеточный состав крови, концентрацию гемоглобина, РОЕ, наличие и концентрацию ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий. Другим примером является "лаборатория на чипе", предназначенная для выявления проявлений жизни на Марсе путем анализа в биоселективных электрохимических элементах растворов марсианского грунта или льда на наличие аминокислот, ДНК, РНК, бактерий, спор.
10. В сканирующем электрохимическом микроскопе гальванический электрод с очень острым концом сканирует под управлением компьютера вдоль поверхности исследуемого образца, покрытой специальным вспомогательным раствором. В зависимости от электрохимических свойств локального участка поверхности образца изменяется разность потенциалов между электродом и образцом (или вспомогательным электродом сравнения) либо электрический ток, протекающий через электрод при приложенном извне напряжении. Запоминая получаемый сигнал, компьютер строит увеличенное изображение поверхности образца, на котором хорошо видны "электрохимические неоднородности", обусловленные наличием вкраплений различных веществ.
Ответы к упражнениям
Упражнение 16.1. Различные варианты вольтамперометрических сенсоров отличаются видом измерительных электродов, составом электролита, использованием различных модификаторов, алгоритмами изменения приложенного к электрохимической ячейке напряжения, использованием "электрода сравнения" и потенциостатирования, способами измерения и формирования выходных сигналов.
Вариант 1. В методе "статической" вольтамперометрии к электродам пошагово прикладывают всё большее внешнее напряжение и измеряют протекающий ток. В результате снимается "статическая" вольтамперная характеристика. Поскольку каждый вид ионов имеет свой характерный электрохимический потенциал, то при постепенном повышении потенциала на измерительном электроде в электродную химическую реакцию вступают сначала ионы с наименьшим электрохимическим потенциалом, что приводит к временному возрастанию тока. Потом начинают реагировать ионы с более высоким электрохимическим потенциалом и т.д. По набору потенциалов, при которых имеет место возрастание тока, можно судить о видах присутствующих в контролируемом растворе ионов. А по высоте пиков тока можно судить о концентрации ионов соответствующего вида в растворе. Ведь чем выше их концентрация, тем интенсивнее происходит электродная реакция, и тем больше протекающий ток.
Вариант 2. При длительном использовании измерительного электрода в вольтамперометрических сенсорах на нем постепенно накапливаются продукты электролиза, которые начинают влиять на результаты измерений. Чтобы избавиться от этого, применяют индикаторные электроды из жидкого металла. Чаще всего это чистая ртуть или амальгама, помещенная в стеклянный капилляр, из которого под действием силы тяжести происходит периодическое выкапывание ртути и автоматическое обновление поверхности электрода. Это и есть "полярография" – разновидность вольтамперометрии с применением ртутного (капельного) электрода.
Вариант 3. При вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала приложенное к электродам напряжение линейно возрастает со временем от одного заданного значения до другого и отслеживаются изменения тока. Изменение потенциала происходит гораздо быстрее, чем при "статической" вольтамперометрии. Благодаря ускорению процесса и возможности дифференцировать получаемый сигнал по времени удается повысить чувствительность метода до 10–6 моль/л.
Вариант 4. В методе "циклической вольтамперометрии" приложенное к электродам напряжение сначала линейно нарастет, а после достижения максимального значения – линейно убывает до исходного значения. И в процессе изменений измеряют зависимость тока от напряжения. Относительно быстрая "треугольная" развертка потенциала на измерительном электроде позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов с участием интересующих пользователя ионов. Ведь форма циклической вольтамперограммы зависит от всех факторов, определяющих кинетику электрохимических процессов в исследуемом растворе.
Вариант 5. При вольтамперометрии переменного тока потенциал измерительного электрода складывается из линейно или ступенчато нарастающего напряжения постоянного смещения и переменного измерительного напряжения малой амплитуды в несколько милливольт. При этом измеряется не весь ток через измерительный электрод, а только его переменная составляющая, синхронная с переменным напряжением. Это позволяет отфильтровать шумы и помехи. Уменьшается постепенная поляризация измерительного электрода. Благодаря этому чувствительность обнаружения аналитов удается повысить на 1-2 порядка.
Вариант 6. При "квадратноволновой" вольтамперометрии накладываемое на постоянное напряжение смещения переменное напряжение имеет форму прямоугольного меандра. Этим и обусловлено название метода. Из токового сигнала выделяется только составляющая, синхронная с переменным напряжением, что позволяет эффективно отфильтровать шумы и помехи.
Вариант 7. При "импульсной" вольтамперометрии на напряжение постоянного смещения накладываются небольшие измерительные импульсы, выделяются и измеряются только синхронно связанные с ними приращения тока. Это также позволяет эффективно отфильтровать шумы и помехи. Уменьшается постепенная поляризация измерительного электрода. Благодаря этому чувствительность обнаружения аналитов, как и при вольтамперометрии переменного тока, удается повысить на 1-2 порядка.
Упражнение 17.2.
Вариант 1. При хроноамперометрическом исследовании раствора возможны следующие внешние воздействия на электрохимическую ячейку: наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения; изменение условий перемешивания исследуемого раствора; дозированное добавление по каплям других растворов; быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п.
Вариант 2. Результаты хроноамперометрических исследований представляют обычно в виде двух взаимосвязанных графиков. Один из них – это зависимость приложенного напряжения от времени, а второй – это зависимость от времени силы тока через электрохимический элемент. На временнoй диаграмме отмечают также моменты или периоды дополнительных внешних воздействий на исследуемый раствор. Например, сначала измеряют ток в условиях интенсивного перемешивания раствора. При этом хроноамперограмма отображает кинетику электродной химической реакции. Когда перемешивание раствора прекращается и скачком увеличивается приложенное напряжение, получаемый участок хроноамперограммы отражает кинетику происходящей реакции в режиме диффузии ионов к электродам. В установившемся режиме скорость реакции определяется скоростью диффузии.
Вариант 3. Введение в хроноамперометрический сенсор встроенного микрокомпьютера позволяет, во-первых, автоматизировать все запланированные манипуляции (изменение приложенного напряжения, включение/выключение перемешивания, добавление других растворов, смену электродов, ...). Во-вторых, встроенный микрокомпьютер может автоматически выполнять все, даже сложные, преобразования информации, вытекающие из математических моделей изучаемых реакций, выводить результаты измерений на дисплей или на принтер в желательной для пользователя форме. Он позволяет реализовать двустороннюю связь с внешними компьютерами. При загрузке соответствующих программ позволяет самому пользователю свободно программировать алгоритм исследования. А при загрузке соответствующих критериев, встроенный микрокомпьютер может даже сам выполнять диагностику.
Вариант 4. Наличие математической модели происходящих в электрохимической ячейке процессов позволяет вычислять их кинетические характеристики по результатам полученных при хроноамперометрическом исследовании измерений. Интеллектуальный сенсор может сам определять по получаемым данным природу происходящих химических реакций, в зависимости от этого "на ходу" изменять программу дальнейшего исследования. Благодаря этому, в ходе одной серии измерений можно получить намного больше ценной информации.
Упражнение 17.3.
Вариант 1. Анализатор "ИВА-5" предназначен для определения концентрации многих видов ионов (меди, свинца, кадмия, ртути ...) в природных, питьевых и сточных водах, в пищевых продуктах и в продовольственном сырье, в биологических жидкостях (фракции крови, моча) и т.д. В нем используется вольтамперометрический метод. Измерительный электрод в нем – графитовый, модифицирован так, чтобы уменьшить влияние на анализ органической составляющей анализируемого раствора. Электрод сравнения – хлорсеребряный, вспомогательный электрод – стеклоуглеродный. Анализатор работает с внешним компьютером. При расходе пробы 1-10 мл на один анализ "ИВА-5" позволяет при анализе воды определять концентрации большинства ионов в диапазоне 0,1-10000 мкг/л, ртути – от 0,01 до 500 мкг/л. При анализе пищевых продуктов – чувствительность определения составляет 0,02 мкг/л.
Вариант 2. "Базовый анализатор ТА-07" позволяет реализовать широкий набор методов электрохимического анализа: вольтамперометрию (прямую, инверсионную, циклическую), хроноамперометрию, кулонометрию. Возможны почти все варианты вольтамперометрии: на постоянном токе, ступенчатая, синусоидальная с фазовым разделением активной и ёмкостной составляющих, квадратно-волновая, импульсная. В нём имеются и могут быть использованы: вибрационное перемешивание, высокоэффективный УФ облучатель для деактивации органических веществ и кислорода, автоматический подъем электродов с поворотом для удобной смены стаканчиков и электродов, стаканчики из чистого плавленого кварца. Он работает с внешним персональным компьютером. Анализатор ТА-07 позволяет определять концентрации широкого набора примесей (Zn, Cd, Pb, Cu, Hg, As, Fe, Se, Sb, Sn, Сr, Bi, Mn, Co, Ni, Au, Ag, иод, анилин, витамины В1, В2, С и др.) в диапазоне от 0,05 до 10000 мкг/л.
Вариант 3. Полярограф АВС-1.1 предназначен для вольтамперометрического анализа на присутствие тяжелых металлов в питьевой воде, в естественных и сточных водах, в продуктах питания и в продовольственном сырье, в биологических и других материалах. Он реализует, в частности, методики инверсионной и циклической вольтамперометрии. Он работает с внешним персональным компьютером. Чувствительность обнаружения составляет от 0,1 мкг/л (для $$Cd, Pb, Ni$$ ) до 10 мкг/л (для $$Zn$$ ). Время одного анализа (без приготовления пробы) не превышает 10 мин. Благодаря высокой чувствительности, низкой стоимости и экспрессности анализов, полярограф является экономичной альтернативой дорогим спектроскопическим приборам и успешно конкурирует с ними в практике анализа тяжелых металлов. Программное обеспечение и система встроенных меню позволяют программировать гибкое управление измерениями и обработкой результатов, предоставляют удобный интерфейс для обмена оперативной информацией.
Вариант 4. Электрохимический сенсор "Alcotest 7410 Plus" предназначен для обнаружения и определения степени алкогольного опьянения человека. Сенсор измеряет концентрацию алкоголя в воздухе, который выдыхает человек, в диапазоне от 0 до 10 промилле с точностью ±0,05 промилле. Отбор пробы осуществляется через накладной мундштук. Очень малое аэродинамическое сопротивление выдоха позволяет проводить измерения даже в режиме "пассивного" дыхания, когда пациент не желает делать интенсивный выдох. Сенсор имеет встроенный микрокомпьютер и встроенные электронные часы, которые точно хронометрируют дату и время измерения. Сенсор автоматически составляет по узаконенной форме протокол измерения, который тут же может быть выдан на принтер.
Память данных сенсора позволяет хранить до 9700 протоколов измерения, а потом передавать их во внешний компьютер. Сенсор нуждается в поверке и калибровке лишь один раз в полгода. Процесс калибровки автоматизирован. Масса сенсора – около 500 г, размеры 230x70x34 мм. Перекрестная чувствительность к другим газам, например к ацетону или бензину, – отсутствует.
Вариант 5. Электрохимический сенсор "WATER TEST" позволяет быстро и точно измерить четыре важнейших гидрохимических параметра: $$pH$$, Red-Ox-потенциал, электропроводность и температуру воды. Благодаря встроенному микрокомпьютеру, он удобен и прост в обращении. Для проведения измерений достаточно залить исследуемый раствор в кювету прибора, выбрать из меню измеряемый параметр и считать показание дисплея. Всё остальное сенсор делает сам. Его широко применяют для контроля за качеством воды в технологических процессах водоподготовки, для санитарного контроля воды в бассейнах, при экологических исследованиях и т.д.
Вариант 6. Анализатор "Testo 330-3" предназначен для контроля, наладки и обслуживания котлов и других теплогенераторов, работающих на природном газе или пропане, на мазуте или дизтопливе, угле и т.п. Из электрохимических методов в нем используется кондуктометрический. Анализатор имеет встроенный микрокомпьютер. Его масса – 600 г, размеры 270x90x65 мм. Вместе с удобными сертифицированными сменными электрохимическими зондами сенсор обеспечивает измерение содержания кислорода, угарного газа ( $$CO$$ ), окислов азота $$(NO_X), CO_2$$. Кроме того, сенсор обеспечивает тщательный контроль и нахождение мест возможного просачивания горючих газов, измерение выносными зондами температуры пламени до 1200 $$\deg$$ С, давления и дифференциального давления газов, тяги, потока газа, КПД горелки, тестирование герметичности газового тракта.
С таким интеллектуальным сенсором специалист-теплотехник может быстро и оптимально отрегулировать горелку, тягу, проконтролировать все функции теплогенератора, устранить выявленные недостатки. Результаты измерений фиксируются в памяти, где могут храниться до 200 блоков данных и при необходимости через инфракрасный порт передаваться на принтер. Микрокомпьютер сенсора выполняет функции самодиагностики, диагностики состояния фильтров и электрохимических сенсоров и автоматической калибровки. Для общения с внешним компьютером имеется USB порт.
Упражнение 17.4. Биоанализаторы крови предназначены для быстрого выполнения самых необходимых биохимических исследований крови пациента, чтобы оперативно диагностировать состояние его здоровья и принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.
Вариант 1. Биосенсор "CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ " предназначен для непрерывного мониторинга уровня глюкозы в крови человека. Он состоит из двух частей, которые в период наблюдения пациент носит на себе. Тоненький ферментный электрод вводят под кожу на глубину 4-6 мм в области брюшины и надёжно закрепляют гигиеническим пластырем на поверхности кожи. Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент ведёт обычную активную жизнь. Каждые 10 секунд сенсор автоматически проводит кулонометрическое измерение концентрации глюкозы в подкожной ткани, пересчитывает результат измерения на концентрацию глюкозы в крови и каждые 5 мин. вычисляет и запоминает среднее значение концентрации за прошедшую пятиминутку.
Всего за сутки накапливается 288 результатов измерения. Результаты последнего измерения и среднее значение за последнюю пятиминутку можно увидеть на дисплее монитора. В случае выявления угрожающей гипо- или гипергликемии сенсор может сообщать об этом с помощью звукового сигнала и соответствующей информации на мониторе. В монитор с помощью специальных символов рекомендуется вводить данные о таких важных событиях, как прием пищи, инъекция инсулина, занятие спортом или продолжительная физическая нагрузка, ощущение гипогликемии и т.д. Вместе с датой и временем суток они тоже запоминаются монитором. Когда после окончания периода наблюдения пациент приходит к врачу, накопленные в памяти монитора данные передаются на медицинский компьютер, в котором с помощью соответствующей программы анализируются и выводятся на экран в виде графика.
Непрерывное исследование с помощью интеллектуального сенсора типа CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни.
Вариант 2. Портативная система "DANA Diabecare IIS" содержит современный кулонометрический глюкометр, требующий для анализа минимальный объем крови, и инсулиновую помпу. Их совместную работу организует микрокомпьютер. Полученные результаты измерения глюкозы не только выводятся на дисплей, но и непосредственно используются для автоматического расчета и введения требуемой дозы инсулина. При выходе уровня сахара в крови за установленные границы, автоматически подаются сигналы тревоги. Система является портативной (масса 65 г), так что её необременительно повседневно носить при себе на легком поясе. Съемный инсулиновый резервуар содержит 300 ЕД инсулина. Использование точного режима введения инсулина позволяет достичь оптимальной компенсации сахарного диабета.
Вариант 3. Биохимический анализатор "CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ " позволяет за считанные минуты провести исследование крови пациента на целый ряд таких важных биохимических параметров, как "Общий холестерин", "Глюкоза", "Креатинин", "Кетоновые тела", "Триглицериды", "Липидный спектр" и др. – в зависимости от имеющегося набора тестовых панелек. Каждая тестовая панелька представляет собой биоселективный электрохимический электрод, нацеленный на измерение соответствующего биохимического показателя крови или одновременно нескольких показателей. Экспресс-анализаторы крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ используются врачами скорой и неотложной помощи, сельскими и семейными врачами, а также в медсанчастях, фельдшерских пунктах, не имеющих собственной лаборатории, и даже в лабораториях лечебных учреждений с небольшой тестовой нагрузкой до 1000 анализов в год.
Вариант 4. Интеллектуальный сенсор для проведения анализа крови в космосе изготавливают с помощью микросистемной технологии. Внутри кристалла кремния формируют не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и крохотные жидкостные насосы, вентили и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. Когда капля крови попадает в небольшой приемный резервуар, к ней для предотвращения свертывания автоматически добавляются антикоагулянты. Затем она перекачивается в контейнер для разбавления, а из него – в сепаратор. Там клетки крови автоматически сортируются по размерам с использованием законов гидродинамики.
Каждая фракция через свой канал прокачивается в оптоэлектронный счетчик, который подсчитывает число проходящих сквозь него клеток (телец) крови. Определяются концентрация гемоглобина, РОЕ. А затем с помощью биоселективных МДП транзисторов, на затворах которых иммобилизованы соответствующие ферменты или антитела, определяется наличие и концентрация ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий. Результаты анализа передаются в бортовой компьютер и через средства связи сообщаются на Землю. В условиях космоса наличие такого сенсора очень важно.
Вариант 5. Интеллектуальный сенсор для выявления проявлений жизни на Марсе изготавливают с помощью микросистемной технологии. Внутри кристалла кремния формируют не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. На затворах ХЧПТ высаживают биоселекторы, чувствительные к аминокислотам, РНК, ДНК, микрофлоре, спорам, другим проявлениям жизни. Автоматические устройства будут брать пробы марсианского грунта или льда, дробить их и готовить контрольные растворы, которые и будут анализироваться. Благодаря наличию микрокомпьютера, через систему связи на Землю будут передаваться уже в значительной мере обработанная информация.
Вариант 6. Сенсорная микросхема для распознавания штаммов вируса птичьего гриппа H5N1 содержит ХЧПТ, на затворах которых высажены антитела различных штаммов вируса. Если в контролируемом растворе имеются вирусы соответствующего штамма, то антитела распознают их, присоединяют, и на выходе соответствующего ХЧПТ появляется сигнал. Если при использовании прежних методов для получения результата требовалось несколько дней плюс время на транспортировку в спецлабораторию, то теперь анализ можно выполнить на месте в течение одного часа. И тем самым можно сберечь жизнь тысячам домашних птиц, которые до сих пор становились жертвами преждевременных "профилактических зачисток".
Цель лекции: объяснить слушателям принципы работы вольтамперометрических и хроноамперометрических электрохимических сенсоров и полярографов, дать представление о различных режимах их работы, об эффективных современных методах их применения. Привести примеры современных интеллектуальных электрохимических сенсоров, убедительно показывающие большие возможности, которые дает применение в таких сенсорах встроенных микрокомпьютеров, а также значимость и большой потенциал развития и дальнейшего совершенствования этих сенсоров.
17.1. Вольтамперометрические сенсоры
С целью повышения информативности электрохимического метода применяют вольтамперометрию – наблюдение за изменением (при изменениях состава контролируемого раствора) вольтамперной характеристики (" вольтамперограммы "), т.е. зависимости электрического тока через электрохимический элемент от приложенного напряжения.
Для записи вольтамперограммы контролируемый раствор заливают в электрохимическую ячейку с двумя или тремя электродами. Один из них ("измерительный" или "индикаторный") имеет относительно небольшие размеры. Площадь поверхности второго ("вспомогательного") намного больше, чтобы при протекании тока перепад потенциала на нем практически не изменялся. Как правило, в контролируемый раствор добавляют индифферентный электролит большой концентрации, чтобы уменьшить падение напряжения на его омическом сопротивлении. Для полной компенсации омического падения напряжения на электролите иногда применяют третий электрод ("электрод сравнения") и потенциостатирование.
В простейшем случае, прикладывая к электродам пошагово всё большее внешнее напряжение и измеряя протекающий ток, снимают "статическую" вольтамперную характеристику. Уже по ней можно судить о составе контролируемого раствора. Дело в том, что каждый вид ионов имеет свой характерный электрохимический потенциал. При постепенном повышении потенциала на измерительном электроде в электродную химическую реакцию вступают сначала ионы с наименьшим электрохимическим потенциалом. Это приводит к возрастанию тока. По набору потенциалов, при которых имеет место возрастание тока, можно судить о видах присутствующих в контролируемом растворе ионов. А по высоте пиков тока можно судить о концентрации соответствующего вида ионов в растворе. Ведь чем выше их концентрация, тем интенсивнее происходит электродная реакция, и тем больше протекающий ток.
При длительном использовании измерительного электрода в таком режиме на нем постепенно накапливаются продукты электролиза, которые начинают влиять на результаты измерений. Чтобы избавиться от этого, применяют индикаторные электроды из жидкого металла. Чаще всего это чистая ртуть или амальгама, заливаемая в стеклянный капилляр, из которого под действием силы тяжести происходит периодическое выкапывание и автоматическое обновление поверхности электрода. Такой электрод называют "ртутным" или "капельным". А разновидность вольтамперометрии с применением ртутного (капельного) электрода принято называть полярографией. В качестве вспомогательного электрода используют обычно каломельный или хлорсеребряный электроды.
Описанный метод "статической" вольтамперометрии и полярографии позволяет определять присутствие в растворе ионов в концентрациях от 10–5 моль/л и выше.
При вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала приложенное к электродам напряжение линейно возрастает со временем от одного до другого заданного значения, и отслеживаются изменения тока. Благодаря ускорению процесса наращивания потенциала и возможности дифференцировать получаемый сигнал по времени удается повысить чувствительность метода до 10–6 моль/л.
Дальнейшим развитием метода стала так называемая " циклическая вольтамперометрия ". При этом методе приложенное к электродам напряжение сначала линейно нарастет (рис 17.1, , б ). Относительно быстрая "треугольная" развертка потенциала на измерительном электроде позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов с участием интересующих пользователя ионов.
(рис 17.1) Объяснение метода циклической вольтамперометрии: а) зависимость приложенного напряжения от времени; б) циклическая вольтамперограммаПри малом напряжении ток остается относительно небольшим. Его иногда называют "фоновым". Вблизи точки $$A$$, когда приложенное напряжение становится сравнимо с контактной разностью потенциалов для исследуемых ионов, скорость электродных реакций и вместе с ней электрический ток через элемент начинают заметно возрастать. Концентрация ионов возле поверхности электрода падает. Чем выше скорость электрохимической реакции, тем быстрей эта зона обедняется, вследствие чего скорость реакции уменьшается. В некоторой точке $$B$$ ток достигает своего максимального значения и, несмотря на дальнейший рост приложенного напряжения, начинает спадать в направлении своего стационарного значения. При уменьшении напряжения, электрический ток продолжает уменьшаться, проходя через минимум вблизи от точки $$C$$.
Вид циклической вольтамперограммы зависит от всех особенностей происходящих в ячейке электрохимических реакций. Если электрохимические превращения возле электродов обратимы, то среднее арифметическое значение от напряжений, при которых достигаются максимум электрического тока (в точке $$B$$ ) и минимум (в точке $$C$$ ), равняется электродному потенциалу данного элемента. Если же реакции являются частично или полностью необратимыми, то это не имеет место, а минимум тока может вообще отсутствовать. Форма циклической вольтамперограммы зависит и от скорости изменения напряжения. Все это может давать исследователю много ценной информации относительно кинетики электрохимических процессов в исследуемом растворе и о его составе.
Еще более перспективной оказалась " вольтамперометрия переменного тока ". Потенциал измерительного электрода складывается при этом методе из линейно или ступенчато нарастающего напряжения постоянного смещения и переменного измерительного напряжения малой амплитуды в несколько милливольт. При этом измеряется не весь ток через измерительный электрод, а только его переменная составляющая, синхронная с переменным напряжением. Накладываемое переменное напряжение может быть синусоидальным, может иметь форму прямоугольного меандра (тогда говорят о " квадратноволновой вольтамперометрии ") или др.
Такой метод позволил повысить чувствительность обнаружения аналита почти на 2 порядка. Примерно такие же результаты дает " импульсна я вольтамперометрия ", при которой на напряжение постоянного смещения накладываются небольшие измерительные импульсы и измеряются синхронно связанные с ними импульсные приращения тока.
Почти во всех вариантах вольтамперометрии чувствительность обнаружения можно дополнительно повысить, стимулируя различными методами предварительное накопление аналита возле измерительного электрода или на нем. Чувствительность обнаружения может при этом достигать 10–9 - 10–10 моль/л.
Из множества возможных приведем лишь пару примеров применения вольтамперометрии. В работе [, стр. 265] описана методика определения методом циклической вольтамперометрии концентрации ионов $$Cu^+$$. Для этого использовались специфический комплексон таких ионов ДМФ (2, диметил-1, 10-фенантролин) и потенциостат BAS CV-1B. Чувствительность обнаружения составляла 5 нмоль/л.
В работе [] описана методика выявления таким методом присутствия в питьевой воде нитридов с чувствительностью 2 мкмоль/л и измерения их концентрации в диапазоне от 10 мкмоль/л до 1000 мкмоль/л.
17.2. Хроноамперометрические сенсоры
Еще большие информационные возможности даёт метод , который основан на анализе зависимости тока через электрохимический элемент от времени при ступенчатом, линейном или синусоидальном изменении приложенного напряжения. Используют и наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения. Для получения дополнительной информации применяют также такие внешние воздействия на электрохимический элемент, как изменение условий перемешивания исследуемого раствора, дозированное добавление по каплям других растворов, быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п. [, , ].
При использовании такого арсенала воздействий можно определять наличие и концентрацию в растворе почти всех видов ионов и многих органических молекул в широком диапазоне концентраций (от 10–10 моль/л до 1 моль/л), исследовать природу соответствующих электрохимических реакций и их подробные кинетические характеристики.
В наиболее общем виде результаты хроноамперометрических исследований представляют в виде двух взаимосвязанных графиков. Один из них – это зависимость приложенного напряжения от времени, а второй – это зависимость от времени силы тока через электрохимический элемент (]. На временнoй диаграмме отмечают также моменты или периоды дополнительных внешних воздействий на исследуемый раствор. Например, на приведенной хроноамперограмме цифрой 1 отмечен момент времени, когда было прекращено перемешивание раствора и скачком увеличено приложенное напряжение. Соответствующий участок хроноамперограммы позволяет наблюдать кинетику происходящих реакций в режиме диффузии ионов к электродам.
(рис 17.2) Пример простой хроноамперограммы: І - период наблюдения с непрерывным перемешиванием раствора (2-15 мин); 1 - момент прекращения перемешивания и увеличения приложенного напряжения; ІІ - период наблюдения без перемешивания раствораЕсли требуется, то вычисляют производную зависимости силы тока от времени и приводят соответствующий график. Или выполняют другие существенные преобразования получаемой информации, исходя из известной либо предполагаемой математической модели происходящих процессов. При наличии такой модели, используя результаты хроноамперометрического исследования, можно определить природу и находить кинетические характеристики происходящих в растворе химических реакций и реагирующих веществ.
В интеллектуальных сенсорах, с использованием встроенного в них микрокомпьютера, все требуемые для исследования раствора манипуляции и преобразования информации можно автоматизировать. Интеллектуальные сенсоры могут сами автоматически выполнять и уже наработанные, даже и сложные, методики (алгоритмы) исследований, и позволяют самому пользователю (без привлечения программиста) разрабатывать и запоминать новые методики.
17.3. Примеры интеллектуальных электрохимических сенсоров
В заключение из имеющегося большого разнообразия приведем лишь ряд примеров типичных современных интеллектуальных электрохимических сенсоров, предназначенных для различных целей. Начнем с традиционных, работающих с использованием внешнего персонального компьютера, а потом опишем ряд портативных.
17.3.1. Электрохимические анализаторы ИВА-5 и ТА-07
Вольтамперометрический анализатор "ИВА-5" российского Научно-производственного внедренческого предприятия "ИВА" предназначен для определения концентрации ионов меди, свинца, кадмия, железа, кобальта, хрома, цинка, никеля, молибдена, марганца, мышьяка, олова, ртути в природных, питьевых и сточных водах, в пищевых продуктах и в продовольственном сырье, в биологических жидкостях (фракции крови, моча) и т.д. Его внешний вид показан на рис 17.3.
(рис 17.3) Вольтамперометрический анализатор ИВА-5В его состав входят электронный блок размерами 250x175x75 мм, магнитная мешалка, комплект трехэлектродных электрохимических ячеек. Рабочий электрод здесь – графитовый, модифицированный так, чтобы уменьшить влияние на анализ органической составляющей анализируемого раствора. Электрод сравнения – хлорсеребряный (Ag /AgCl / KCl, 3M), вспомогательный электрод – стеклоуглеродный. Анализатор ИВА-5 работает в комплексе с персональным компьютером. Диапазон определяемых концентраций при анализе воды 0,1-10000 мкг/л, по ртути 0,01 – 500 мкг/л; при анализе пищевых продуктов – от 0,02 до 500 мкг/л. Расход пробы 1-10 мл на один анализ.
"Базовый анализатор ТА-07", показанный на рис 17.4, является более компактным. Он тоже работает с внешним персональным компьютером. В нем можно реализовать широкий набор методов электрохимического анализа: вольтамперометрию (прямую, инверсионную, циклическую), хроноамперометрию, кулонометрию. Возможны почти все варианты вольтамперометрии: на постоянном токе, ступенчатая, на переменном токе синусоидальная с фазовым разделением активной и ёмкостной составляющих, квадратно-волновая, импульсная нормальная и дифференциальная.
(рис 17.4) Базовый анализатор ТА-07Используются автоматический подъем электродов с поворотом для удобной смены стаканчиков и электродов, вибрационное перемешивание, стаканчики из чистого плавленого кварца, УФ облучатель для деактивации органических веществ и кислорода. Анализатор позволяет определять концентрации широкого набора примесей (Zn, Cd, Pb, Cu, Hg, As, Fe, Se, Sb, Sn, Сr, Bi, Mn, Co, Ni, Au, Ag, иод, анилин, витамины В1, В2, С и др.) в диапазоне от 0,05 до 10000 мкг/л.
17.3.2. Полярографы
Промышленно выпускаются и продаются интеллектуальные полярографы с использованием персональных компьютеров. Здесь можно назвать, например, дифференциальный импульсный полярограф фирмы IBM Model EC225, а также полярограф АВС-1.1 и потенциостат PS-7 российской фирмы "НПП ЭКОНИКС".
Полярограф АВС-1.1 является "…универсальным компьютерным комплексом нового поколения для вольтамперометрического анализа на присутствие тяжелых металлов в питьевой воде, в естественных и сточных водах, в продуктах питания и в продовольственном сырье, в биологических и других материалах. Соединяет в себе современные достижения в области вольтамперометрической техники измерений с сервисными возможностями компьютерного управления анализом, обработки и протоколирования данных" []. Полярограф, в частности, реализует методики инверсионной и циклической вольтамперометрии. Госстандарт Российской Федерации рекомендует его для измерений содержания токсических элементов (меди, свинца, кадмия, цинка) в пищевых продуктах (ГОСТ Р 51301-99).
Чувствительность обнаружения составляет: 0,1 мкг/л для $$Cd, Pb, Ni$$ ; 0,15 мкг/л – для $$Hg$$ ; 0,5 мкг/л – для $$Cu$$ ; 10 мкг/л – для $$Zn$$. Время одного анализа (без приготовления пробы) не превышает 10 мин. Благодаря высокой чувствительности, низкой стоимости и экспрессности анализов, полярограф является экономичной альтернативой дорогим спектроскопическим приборам и успешно конкурирует с ними в практике анализа тяжелых металлов. Программное обеспечение и система встроенных меню позволяют программировать гибкое управление измерениями и обработкой результатов, предоставляют удобный интерфейс для обмена оперативной информацией.
Основные области применения полярографов: научно-исследовательские учреждения; лаборатории гальванических производств; контроль питьевой, морской, родниковой воды, стоков; анализ состава крови и плазмы крови; контроль пищевых продуктов, их составляющих, фармацевтических препаратов и сырья для них; контроль технологии изготовления особо чистых материалов, в том числе для высокотехнологической электроники и т.д.
17.3.3. Тестер алкогольного опьянения и анализатор воды
На рис 17.5 слева показан электрохимический сенсор Alcotest 7410 Plus фирмы Drager, предназначенный для обнаружения и определения степени алкогольного опьянения человека.
(рис 17.5) а) Электрохимический сенсор Alcotest 7410 Plus. б) Анализатор воды WATER TESTМасса сенсора – около 0,5 кг, размеры 230x70x34 мм. Сенсор измеряет концентрацию алкоголя в воздухе, который выдыхает человек, в диапазоне от 0 до 10 промилле с точностью $$\pm$$ 0,05 промилле. Отбор пробы осуществляется через накладной мундштук. Очень малое аэродинамическое сопротивление выдоха позволяет проводить измерения даже в режиме "пассивного" дыхания, когда пациент не желает делать интенсивный выдох. Но совсем не дышать он ведь тоже не может.
Встроенные электронные часы точно хронометрируют дату и время измерения. Сенсор автоматически составляет по узаконенной форме протокол измерения, который тут же может быть выдан на принтер. Память данных сенсора позволяет хранить до 9700 протоколов измерения, а потом передавать их во внешний компьютер. Сенсор нуждается в поверке и калибровке лишь один раз в полгода. Процесс калибровки автоматизирован. Перекрестная чувствительность к другим газам, например к ацетону или бензину, – отсутствует.
На рис 17.5 справа показан интеллектуальный электрохимический сенсор WATER TEST компании Hanna Instruments. Этот портативный прибор позволяет быстро и точно измерить четыре важнейших гидрохимических параметра: $$pH$$, Red-Ox-потенциал, электропроводность и температуру воды. Он удобен и прост в обращении. Для проведения измерений достаточно залить исследуемый раствор в кювету прибора, выбрать из меню измеряемый параметр и считать показание дисплея. Всё остальное сенсор делает сам. Его широко применяют для контроля за качеством воды в технологических процессах водоподготовки, для санитарного контроля воды в бассейнах, при экологических исследованиях и т.д.
17.3.4. Портативный анализатор дымовых газов
В качестве следующего примера портативного интеллектуального электрохимического сенсора кратко опишем анализатор дымовых газов "Testo 330-3" (рис 17.6).
(рис 17.6) Слева – общий вид портативного анализатора дымовых газов "Testo 330-3", справа – сенсор в процессе работы со сменным электрохимическим зондомОн предназначен для контроля, наладки работы и обслуживания котлов и других теплогенераторов, работающих на природном газе или пропане, на мазуте или дизтопливе, угле и т.п. Его масса – 0,6 кг, размеры 270x90x65 мм. Вместе с удобными сертифицированными электрохимическими сменными зондами сенсор обеспечивает измерение содержания кислорода в диапазоне от 0 до 21 объемных % , угарного газа ( $$CO$$ ) – в диапазонах от 0 до 4000 ррm или от 500 ррm до 30000 ррm, окислов азота ( $$NO_X$$ ) в диапазоне от 0 до 3000 ррm, $$CO_2$$ в диапазоне от 0 до 1 объемных % (0 ... 10000 ррm ).
Кроме того, сенсор обеспечивает тщательный контроль и нахождение мест возможного просачивания горючих газов, измерение выносными зондами температуры пламени до 1200 $$\deg$$ С, давления и дифференциального давления газов, тяги, потока газа, КПД горелки, тестирование герметичности газового тракта. С таким интеллектуальным сенсором специалист-теплотехник может быстро и оптимально отрегулировать горелку, тягу, проконтролировать все функции теплогенератора, устранить выявленные недостатки.
Все данные и рабочие меню выводятся на удобный графический дисплей 240x160 пикселей. Результаты измерений фиксируются в памяти, где могут храниться до 200 блоков данных и при необходимости через инфракрасный порт передаваться на принтер. Микрокомпьютер сенсора выполняет функции самодиагностики, диагностики состояния фильтров и электрохимических сенсоров и автоматической калибровки. Для общения с внешним компьютером имеется USB порт.
17.3.5. Интеллектуальные электрохимические глюкометры
По данным Всемирной организации здравоохранения сейчас в мире зарегистрировано до 200 млн. людей, больных сахарным диабетом. Поэтому из интеллектуальных электрохимических сенсоров наиболее известны как раз глюкометры – сенсоры для измерения концентрации глюкозы в крови человека. Официально аттестованы и выпускаются уже десятки типов портативных электрохимических глюкометров [], которые требуют для измерения капельку крови объёмом меньше 1 мкл. Один из них – глюкометр "FreeStyle", являющийся по принципу своего действия кулонометрическим электрохимическим сенсором и рассчитанный на работу с одноразовыми тестовыми полосками – уже описан в предыдущей лекции.
Менее известными являются портативные интеллектуальные электрохимические сенсоры, предназначенные для ]. Глюкометр CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ (CGMS – Continuous Glucose Monitoring System) состоит из двух частей (рис 17.7). В период наблюдения пациент носит их на себе. Тоненький ферментный электрод, показанный в крупном масштабе на рисунке справа, вводят под кожу на глубину 4-6 мм, как правило, в области брюшины и надёжно закрепляют гигиеническим пластырем на поверхности кожи.
Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент носит этот сенсор в течение нескольких суток, ведя обычную активную жизнь. Каждые 10 секунд сенсор сам автоматически проводит кулонометрическое измерение концентрации глюкозы в подкожной ткани, пересчитывает результат измерения на концентрацию глюкозы в крови и каждые 5 мин. вычисляет и запоминает среднее значение концентрации за прошедшую пятиминутку. Всего за сутки накапливается 288 результатов измерения. Результаты последнего измерения и среднее значение за последнюю пятиминутку можно увидеть на дисплее монитора.
(рис 17.7) Портативный интеллектуальный сенсор CGMS System Gold для наблюдения в течение нескольких суток за изменениями концентрации сахара в крови человека: слева – расположение блоков сенсора на теле человека в процессе наблюдения; справа – ферментный электрод в крупном масштабеВ случае выявления угрожающей гипо- или гипергликемии сенсор может сообщать об этом с помощью звукового сигнала и соответствующей информации на мониторе.
В монитор с помощью специальных символов рекомендуется вводить данные о таких важных событиях, как прием пищи, инъекция инсулина, занятие спортом или продолжительная физическая нагрузка, ощущение гипогликемии и т.д. Вместе с датой и временем суток они тоже запоминаются монитором.
Ферментный электрод изготавливают из максимально биологически совместимых материалов. Но тем не менее человеческое тело реагирует на электрод как на инородное тело и постепенно обволакивает его защитными веществами, из-за чего чувствительность сенсора снижается. Поэтому спустя некоторое время следует делать повторную калибровку []. Производитель рекомендует проводить калибровку монитора 4 раза в сутки, выполняя параллельные измерения уровня сахара на независимом контрольном приборе по капле крови. Полученное значение вводят в монитор, который затем выполняет калибровку автоматически. Диапазон измерения – от 40 мг % до 400 мг %.
Когда после окончания периода наблюдения пациент приходит к врачу, накопленные в памяти монитора данные передаются на медицинский компьютер, в котором с помощью соответствующей программы анализируются и выводятся на экран в виде графика (рис 17.8). По горизонтали здесь отложено время суток, а по вертикали – концентрация глюкозы в моль/л. Как видим на примере представленного графика, концентрация глюкозы в крови у диабетиков не является постоянной величиной и может значительно изменяться со временем в зависимости от обстоятельств жизни.
(рис 17.8) Пример графика изменения концентрации глюкозы в крови больного сахарным диабетом человека в течение суток, зарегистрированного сенсором CGMS System GoldЛегко убедиться, что даже у хорошо мотивированного и дисциплинированного пациента, который измеряет свой уровень сахара 3-4 раза в сутки, бoльшая часть дня и особенно ночи остаются вне контроля. И опасные эпизоды, во время которых концентрация глюкозы в крови недопустимо возрастает или падает, проходят незамеченными.
Непрерывное исследование с помощью интеллектуального сенсора типа CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни. Анализ графика врачом вместе с больным наглядно демонстрирует больному сахарным диабетом влияние разных факторов повседневной жизни на течение его болезни, помогает лучше мотивировать на здоровый образ жизни и на соблюдение рекомендаций врачей [, , , ].
Важной вехой в совершенствовании глюкометров для больных диабетом первого рода, вынужденных пользоваться инсулином, стало объединение глюкометра с автоматической инсулиновой помпой. Одной из первых таких разработок, успешно доведенных до промышленного выпуска, стала ).
Портативная система "DANA Diabecare IIS" содержит современный биосенсорный глюкометр, требующий для анализа минимальный объем крови, и инсулиновую помпу. Их совместную работу организует микрокомпьютер. Полученные результаты измерения глюкозы не только выводятся на дисплей, но и непосредственно используются для автоматического расчета и введения требуемой дозы инсулина. При выходе уровня сахара в крови за установленные границы, автоматически подаются сигналы тревоги.
(рис 17.9) Портативная инсулиновая помпа DANA Diabecare IIS со встроенным глюкометром: 1 – отделение для инсулинового резервуара; 2 – окошко для определения оставшегося количества инсулина; 3 – кнопки управления; 4 – ЖК дисплей; 5 – коннектор для прикрепления инфузионного набора; 6 – пластиковый катетерВ отделение 1 вставляют съемный инсулиновый резервуар ёмкостью 3 мл (300 ЕД инсулина). Количество имеющегося в нем запаса инсулина можно увидеть через мерное окошко 2. Управление работой системы осуществляется с помощью удобной клавиатуры 3, состоящей из 4-х кнопок. Кнопки со стрелками могут работать в режиме "прокрутки" (если держать кнопку нажатой, то устанавливаемое значение непрерывно изменяется, или указатель непрерывно перемещается по списку). Вся необходимая для пользователя информация высвечивается на жидкокристаллическом дисплее 4 площадью 8 см2. При недостаточном внешнем освещении дисплей автоматически подсвечивается изнутри.
Инсулиновая помпа, кроме резервуара, содержит коннектор (соединитель) 5 для прикрепления инфузионного набора через пластиковый катетер 6 и находящийся внутри основного корпуса миниатюрный насос для прокачивания и впрыскивания через инфузионный набор необходимой дозы инсулина. Состав инфузионного набора показан на рис 17.10. Тонкая игла, выполненная из высококачественной стали, обеспечивает поступление инсулина в подкожную жировую клетчатку. Фиксатор надежно прикрепляет иглу к поверхности кожи, а клипсовый соединитель обеспечивает легкое соединение и отсоединение иглы и катетера. Вид иглы и длину катетера подбирает лечащий врач.
(рис 17.10) Инфузионный набор инсулиновой помпы DANA Diabecare IISИнсулиновая помпа с микропроцессорным управлением обеспечивает разные режимы введения инсулина, предписанные лечащим врачом, с точностью до 0,01 условной единицы. Вводимые дозы тщательно учитываются. При их автоматическом расчете, кроме текущего уровня глюкозы в крови, учитываются также планируемое количество углеводов в предстоящей еде, индивидуальная чувствительность к конкретному виду инсулина, целевой уровень глюкозы в крови и заданная лечащим врачом тактика. Использование точного режима введения инсулина позволяет достичь оптимальной компенсации сахарного диабета, отдалить во времени его тяжелые последствия или вовсе избежать их. Для документирования в памяти системы сохраняются 100 последних введенных доз, 100 последних суточных доз инсулина, 100 последних заливок инсулина и 100 последних сигналов тревоги.
В мире рядом фирм и научно-исследовательских организаций ведутся также работы по созданию имплантируемых в тело больного человека биочипов для непрерывного контроля за уровнем глюкозы в крови. О создании одного из таких биочипов размером 4x2x0,5 мм сообщается, например, в []. На физиологических растворах глюкозы, работая по амперометрическому принципу, биочип показывает довольно хорошие результаты в диапазоне концентраций глюкозы от 0,1 ммоль/л до 13 ммоль/л со временем реакции 50 с. Сопряженный с инсулиновой помпой типа описанной выше, такой биочип еще больше облегчит жизнь больного диабетом первого типа.
17.3.6. Биохимические экспресс-анализаторы крови CardioChek
Биохимические экспресс-анализаторы крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ (рис 17.11) являются еще одним примером диагностического оборудования типа "point-of-care" – диагностики на дому, на работе или в любом другом месте наблюдения пациента. Они позволяют врачу быстро провести самые необходимые биохимические исследования крови пациента, оперативно диагностировать состояние его здоровья и принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.
(рис 17.11) Биохимический экспресс-анализатор крови CardioChek (слева) и пояснения по его применению (справа)Анализатор вместе с набором необходимых тестовых панелек легко помещается в карман или в сумку врача. Он позволяет за считанные минуты провести исследование крови пациента на целый ряд очень важных биохимических параметров – в зависимости от имеющегося набора тестовых панелек. Стадии тестирования показаны на рис 17.11 справа вверху. Это – забор необходимого количества крови пациента; дозированное нанесение необходимого объема крови на вставленную в анализатор тестовую панельку; через несколько десятков секунд считывание результата тестирования. Каждая тестовая панелька представляет собой биоселективный электрохимический электрод, нацеленный на измерение соответствующего биохимического показателя крови или одновременно нескольких показателей. Набор панелек (показан на рис 17.11 справа внизу) достаточно широк и включает:
"Общий холестерин" (диапазон измерений: 2,59-10,36 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Глюкоза" (диапазон измерений: 1,11-33,3 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Креатинин" (диапазон измерений: 17,7-884 мкмоль/л; требуемый объем крови 20 мкл);
"Кетоновые тела" (диапазон измерений: 0,19-6,72 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Триглицериды" (диапазон измерений: 0,56-5,65 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Липопротеиды высокой плотности" (диапазон измерений: 0,39-2,59 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Липопротеиды низкой плотности" (диапазон измерений: 1,29-5,18 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
"Липидный спектр" (диапазоны измерений указаны выше; требуемый объем крови 40 мкл);
"Метаболический синдром" (глюкоза, триглицериды, липопротеиды высокой плотности; требуемый объем крови 40 мкл).
Экспресс-анализаторы крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ используются врачами скорой и неотложной помощи, сельскими и семейными врачами, а также в медсанчастях, фельдшерских пунктах, не имеющих собственной лаборатории, и даже в лабораториях лечебных учреждений с небольшой тестовой нагрузкой порядка 100-1000 анализов в год. Для таких лечебных учреждений приобретение экспресс-анализатора крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ и наборов тестовых панелек к нему оказывается дешевле, чем создавать и содержать собственную лабораторию.
17.3.7. "Лаборатории на чипе"
С использованием ХЧПТ в ряде передовых фирм разрабатываются так называемые "лаборатории на чипе" ("lab-on-a-chip"). Например, исследователи Калифорнийского технологического института, университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и компании IRIS International совместно разработали портативный интеллектуальный сенсор размером с мобильный телефон, который автоматически выполняет анализ крови человека, используя лишь 1-2 капли. Сенсор предназначен, в первую очередь, для космонавтов во время их продолжительных полетов в космос. Можно, правда, использовать там анализатор крови типа описанного выше. Но в космосе приходится экономить каждый лишний грамм массы, особенно при продолжительных путешествиях, например, к Марсу или Венере.
Интеллектуальный сенсор для автоматического проведения за 2-3 мин. анализа крови непосредственно в космосе показан на рис 17.12. Внутри кристалла кремния с помощью микросистемной технологии сформированы не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и крохотные жидкостные насосы, вентили и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. Когда капля крови попадает в небольшой приемный резервуар, к ней для предотвращения свертывания крови автоматически добавляются антикоагулянты. Затем она перекачивается в контейнер для разбавления, а из него – в сепаратор. Там клетки крови автоматически сортируются по размерам с использованием законов гидродинамики.
(рис 17.12) Портативный интеллектуальный сенсор для проведения анализа кровиКаждая фракция через свой канал прокачивается в оптоэлектронный счетчик, который подсчитывает число проходящих сквозь него клеток (телец) крови – лейкоцитов, эритроцитов и т.д. Определяются концентрация гемоглобина, РОЕ. А затем с помощью биоселективных МДП транзисторов, на затворах которых иммобилизованы соответствующие ферменты или антитела, определяется наличие и концентрация ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий.
Разработчики считают, что созданный чип довольно гибок, и с помощью соответствующих модификаций его можно будет настроить даже на выполнение онкологических тестов с целью раннего выявления раковых заболеваний, если иммобилизовать на затворах МДП транзисторов белковые маркеры раковых клеток.
Аэрокосмический центр им. Маршала (NASA) разработал миниатюрную "лабораторию на чипе", предназначенную для выявления следов жизни на Марсе путем анализа в биоселективных электрохимических элементах растворов марсианского грунта или льда на наличие аминокислот, ДНК, РНК, бактерий, спор.
Немецкая фирма STMicroelectronics вместе с сингапурской медицинской фирмой Veredus Laboratories разработала специализированные одноразовые сенсорные микросхемы для распознавания разных штаммов вируса птичьего гриппа H5N1 (рис 17.13). Сенсорная микросхема содержит ХЧПТ, на затворах которых высажены антитела различных штаммов вируса. Если в контролируемом растворе имеются вирусы того или иного штамма, то антитела распознают их, присоединяют, и на выходе соответствующего ХЧПТ появляется сигнал.
(рис 17.13) Специализированные одноразовые сенсорные микросхемы для распознавания разных штаммов вируса птичьего гриппа H5N1В то время как при использовании прежних методов для получения результата требовалось несколько дней плюс время на транспортировку в спецлабораторию, анализ с помощью разработанной сенсорной микросхемы можно выполнить на месте в течение одного часа. И тем самым можно сберечь жизнь тысячам домашних птиц, которые до сих пор становились жертвами преждевременных "профилактических зачисток".
17.3.8. Сканирующий электрохимический микроскоп
В таком микроскопе гальванический электрод с очень острым концом сканирует под управлением компьютера вдоль поверхности исследуемого образца, покрытой специальным вспомогательным раствором. В зависимости от электрохимических свойств локального участка поверхности образца изменяется разность потенциалов между электродом и образцом (или вспомогательным электродом сравнения) либо электрический ток, протекающий через электрод при приложенном извне напряжении. Запоминая получаемый сигнал, компьютер строит увеличенное изображение поверхности образца. На этом изображении хорошо видны "электрохимические неоднородности", обусловленные наличием вкраплений различных веществ.
Разработаны различные варианты получения сигналов, позволяющие, меняя состав раствора, модифицируя электрод, применяя вспомогательный электрод и соответствующие редокс системы, настраиваться на выявление на поверхности образца мест расположения различных аналитов.
Краткие итоги
Вольтамперометрический сенсор отслеживает зависимость электрического тока через исследуемый раствор от приложенного напряжения. Разработано много разных вариантов вольтамперометрии, позволяющих повысить информационные возможности сенсора и чувствительность к различным аналитам. В методе циклической вольтамперометрии, например, приложенное к электродам напряжение сначала линейно возрастает, а потом уменьшается до исходного значения. Вольтамперограмма имеет вид замкнутой кривой, вид которой зависит от всех особенностей электрохимических реакций. Это может давать исследователю много ценной информации не только о его составе, но и о кинетике электрохимических процессов в исследуемом растворе.
При вольтамперометрии переменного тока на линейно или ступенчато нарастающий потенциал измерительного электрода накладывается переменное измерительное напряжение малой амплитуды, и измеряется только соответствующая переменная составляющая тока. Такой метод позволил повысить чувствительность обнаружения аналита почти на 2 порядка.
Метод хроноамперометрии основан на анализе зависимости тока через электрохимический элемент от времени при различных способах изменения приложенного напряжения. Используют и наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения. Для получения дополнительной информации применяют также такие внешние воздействия на электрохимический элемент, как изменение условий перемешивания исследуемого раствора, дозированное добавление по каплям других растворов, быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п. Чувствительность описанных методов можно дополнительно повысить, стимулируя различными методами предварительное накопление аналита возле измерительного электрода.
Благодаря всему этому, с помощью вольтамперометрических и хроноамперометрических сенсоров можно определять наличие и концентрацию в растворе почти всех видов ионов и многих органических молекул в широком диапазоне концентраций (от 10–10 моль/л до 1 моль/л), исследовать природу и подробные кинетические характеристики соответствующих химических реакций.
В настоящее время разработаны и широко применяются многие виды интеллектуальных электрохимических сенсоров. Среди них: электрохимические анализаторы широкого профиля и полярографы, анализаторы воды, напитков и тестеры алкогольного опьянения, анализаторы дымовых газов и портативные глюкометры, экспресс-анализаторы крови и даже "лаборатории на чипе". Имеется большой потенциал и для создания новых, еще более совершенных интеллектуальных электрохимических сенсоров.
Набор для практики
Вопросы для самопроверки
Что такое "вольтамперограмма"?
Какие сенсоры называют "вольтамперометрическими"?
Чем отличаются вольтамперометрия и "полярография"?
Какие сенсоры называют "хроноамперометрическими"?
Назовите описанные в данной лекции интеллектуальные электрохимические сенсоры.
Что такое "глюкометры"? Почему они столь важны и широко известны?
Зачем нужен непрерывный мониторинг глюкозы? Как он осуществляется?
Для чего предназначены экспресс-анализаторы крови?
Что такое "лаборатория на чипе"?
Как работает сканирующий электрохимический микроскоп?
Упражнения
Упражнение 17.1. Чем отличаются различные варианты вольтамперометрических сенсоров? Кратко охарактеризуйте особенности следующих методов вольтамперометрии:
Вариант 1. "Статическая" вольтамперометрия.
Вариант 2. Полярография.
Вариант 3. Вольтамперометрия с линейной разверткой потенциала.
Вариант 4. Циклическая вольтамперометрия.
Вариант 5. Вольтамперометрия переменного тока.
Вариант 6. Квадратноволновая вольтамперометрия.
Вариант 7. Импульсная вольтамперометрия.
Упражнение 17.2.
Вариант 1. Перечислите возможные внешние воздействия на электрохимическую ячейку при хроноамперометрическом исследовании раствора.
Вариант 2. Каким образом обычно представляют результаты хроноамперометрического исследования? Приведите пример.
Вариант 3. Какие преимущества может дать введение в хроноамперометрический сенсор встроенного микрокомпьютера?
Вариант 4. Какую роль играет при хроноамперометрическом исследовании наличие математической модели происходящих в электрохимической ячейке процессов?
Упражнение 17.3. Опишите кратко ниже названные интеллектуальные электрохимические сенсоры. Постарайтесь ответить на такие вопросы: Для чего он предназначен? Какие электрохимические методы использует (может реализовать)? Он работает с внешним компьютером или имеет встроенный микрокомпьютер? Какие возможности предоставляет он пользователю?
Вариант 1. Анализатор "ИВА-5".
Вариант 2. Анализатор "ТА-07".
Вариант 3. Полярограф "АВС-1.1".
Вариант 4. Электрохимический сенсор "Alcotest 7410 Plus".
Вариант 5. Электрохимический сенсор "WATER TEST".
Вариант 6. Анализатор "Testo 330-3".
Упражнение 17.4. Для чего предназначены биоанализаторы крови? Опишите кратко ниже названные типы биоанализаторов крови. Постарайтесь ответить на такие вопросы: Для каких именно анализов он предназначен? Какие электрохимические методы использует? Какие особые возможности предоставляет он пользователю?
Вариант 1. Биосенсор "CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ ".
Вариант 2. Портативная система "DANA Diabecare IIS".
Вариант 3. Биохимический анализатор "CardioChek™".
Вариант 4. Интеллектуальный сенсор для проведения анализа крови в космосе.
Вариант 5. Интеллектуальный сенсор для выявления проявлений жизни на Марсе.
Вариант 6. Сенсорная микросхема для распознавания штаммов вируса птичьего гриппа.
Ответы
Ответы на вопросы
1. "Вольтамперограмма" – это представленная графически зависимость электрического тока через электрохимический элемент от приложенного напряжения.
2. "Вольтамперометрическими" называют электрохимические сенсоры, у которых первичные информационные сигналы появляются в виде изменений вольтамперной характеристики.
3. "Полярография" является одной из разновидностей вольтамперометрии, когда в качестве измерительного применяется ртутный (капельный) электрод.
4. "Хроноамперометрическими" называют электрохимические сенсоры, у которых первичные информационные сигналы появляются в виде изменений на зависимости тока через электрохимический элемент от времени.
5. Из описанных в данной лекции интеллектуальных электрохимических сенсоров можно назвать: вольтамперометрический анализатор "ИВА-5"; базовый анализатор ТА-07; полярограф АВС-1.1; анализатор воды WATER TEST; анализатор дымовых газов "Testo 330-3"; монитор уровня глюкозы в крови человека "CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ "; экспресс-анализатор крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ и др.
6. "Глюкометры" – это сенсоры для измерения концентрации глюкозы в крови человека. В них периодически или повседневно нуждаются больные диабетом. А число таких больных, по данным Всемирной организации здравоохранения, приближается уже к 200 млн. человек. Поэтому-то они столь важны и широко известны.
7. Непрерывный мониторинг концентрации глюкозы в крови позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного диабетом, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни. Анализ графика врачом вместе с больным наглядно демонстрирует больному сахарным диабетом влияние разных факторов повседневной жизни на течение его болезни, помогает лучше мотивировать на здоровый образ жизни и на соблюдение рекомендаций врачей. Для мониторинга под кожу больному в области брюшины на глубину 4-6 мм вводят тоненький ферментный электрод, который надёжно закрепляют гигиеническим пластырем. Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент носит этот сенсор в течение нескольких суток, ведя обычную активную жизнь.
8. Экспресс-анализаторы крови предназначены для экстренной медицинской диагностики на месте аварии, катастрофы, чрезвычайной ситуации, дома, на работе или в любом другом месте наблюдения пациента. Они позволяют врачу быстро провести самые необходимые биохимические исследования крови пациента и оперативно диагностировать состояние его здоровья, принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.
9. "Лаборатория на чипе" – это портативный интеллектуальный сенсор, выполненный, как правило, на химически чувствительных полевых транзисторах и позволяющий оперативно произвести химический или биохимический анализ растворов или газовых смесей на наличие и концентрацию одновременно многих компонентов. Например, сенсор для автоматического анализа крови в космосе определяет клеточный состав крови, концентрацию гемоглобина, РОЕ, наличие и концентрацию ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий. Другим примером является "лаборатория на чипе", предназначенная для выявления проявлений жизни на Марсе путем анализа в биоселективных электрохимических элементах растворов марсианского грунта или льда на наличие аминокислот, ДНК, РНК, бактерий, спор.
10. В сканирующем электрохимическом микроскопе гальванический электрод с очень острым концом сканирует под управлением компьютера вдоль поверхности исследуемого образца, покрытой специальным вспомогательным раствором. В зависимости от электрохимических свойств локального участка поверхности образца изменяется разность потенциалов между электродом и образцом (или вспомогательным электродом сравнения) либо электрический ток, протекающий через электрод при приложенном извне напряжении. Запоминая получаемый сигнал, компьютер строит увеличенное изображение поверхности образца, на котором хорошо видны "электрохимические неоднородности", обусловленные наличием вкраплений различных веществ.
Ответы к упражнениям
Упражнение 16.1. Различные варианты вольтамперометрических сенсоров отличаются видом измерительных электродов, составом электролита, использованием различных модификаторов, алгоритмами изменения приложенного к электрохимической ячейке напряжения, использованием "электрода сравнения" и потенциостатирования, способами измерения и формирования выходных сигналов.
Вариант 1. В методе "статической" вольтамперометрии к электродам пошагово прикладывают всё большее внешнее напряжение и измеряют протекающий ток. В результате снимается "статическая" вольтамперная характеристика. Поскольку каждый вид ионов имеет свой характерный электрохимический потенциал, то при постепенном повышении потенциала на измерительном электроде в электродную химическую реакцию вступают сначала ионы с наименьшим электрохимическим потенциалом, что приводит к временному возрастанию тока. Потом начинают реагировать ионы с более высоким электрохимическим потенциалом и т.д. По набору потенциалов, при которых имеет место возрастание тока, можно судить о видах присутствующих в контролируемом растворе ионов. А по высоте пиков тока можно судить о концентрации ионов соответствующего вида в растворе. Ведь чем выше их концентрация, тем интенсивнее происходит электродная реакция, и тем больше протекающий ток.
Вариант 2. При длительном использовании измерительного электрода в вольтамперометрических сенсорах на нем постепенно накапливаются продукты электролиза, которые начинают влиять на результаты измерений. Чтобы избавиться от этого, применяют индикаторные электроды из жидкого металла. Чаще всего это чистая ртуть или амальгама, помещенная в стеклянный капилляр, из которого под действием силы тяжести происходит периодическое выкапывание ртути и автоматическое обновление поверхности электрода. Это и есть "полярография" – разновидность вольтамперометрии с применением ртутного (капельного) электрода.
Вариант 3. При вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала приложенное к электродам напряжение линейно возрастает со временем от одного заданного значения до другого и отслеживаются изменения тока. Изменение потенциала происходит гораздо быстрее, чем при "статической" вольтамперометрии. Благодаря ускорению процесса и возможности дифференцировать получаемый сигнал по времени удается повысить чувствительность метода до 10–6 моль/л.
Вариант 4. В методе "циклической вольтамперометрии" приложенное к электродам напряжение сначала линейно нарастет, а после достижения максимального значения – линейно убывает до исходного значения. И в процессе изменений измеряют зависимость тока от напряжения. Относительно быстрая "треугольная" развертка потенциала на измерительном электроде позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов с участием интересующих пользователя ионов. Ведь форма циклической вольтамперограммы зависит от всех факторов, определяющих кинетику электрохимических процессов в исследуемом растворе.
Вариант 5. При вольтамперометрии переменного тока потенциал измерительного электрода складывается из линейно или ступенчато нарастающего напряжения постоянного смещения и переменного измерительного напряжения малой амплитуды в несколько милливольт. При этом измеряется не весь ток через измерительный электрод, а только его переменная составляющая, синхронная с переменным напряжением. Это позволяет отфильтровать шумы и помехи. Уменьшается постепенная поляризация измерительного электрода. Благодаря этому чувствительность обнаружения аналитов удается повысить на 1-2 порядка.
Вариант 6. При "квадратноволновой" вольтамперометрии накладываемое на постоянное напряжение смещения переменное напряжение имеет форму прямоугольного меандра. Этим и обусловлено название метода. Из токового сигнала выделяется только составляющая, синхронная с переменным напряжением, что позволяет эффективно отфильтровать шумы и помехи.
Вариант 7. При "импульсной" вольтамперометрии на напряжение постоянного смещения накладываются небольшие измерительные импульсы, выделяются и измеряются только синхронно связанные с ними приращения тока. Это также позволяет эффективно отфильтровать шумы и помехи. Уменьшается постепенная поляризация измерительного электрода. Благодаря этому чувствительность обнаружения аналитов, как и при вольтамперометрии переменного тока, удается повысить на 1-2 порядка.
Упражнение 17.2.
Вариант 1. При хроноамперометрическом исследовании раствора возможны следующие внешние воздействия на электрохимическую ячейку: наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения; изменение условий перемешивания исследуемого раствора; дозированное добавление по каплям других растворов; быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п.
Вариант 2. Результаты хроноамперометрических исследований представляют обычно в виде двух взаимосвязанных графиков. Один из них – это зависимость приложенного напряжения от времени, а второй – это зависимость от времени силы тока через электрохимический элемент. На временнoй диаграмме отмечают также моменты или периоды дополнительных внешних воздействий на исследуемый раствор. Например, сначала измеряют ток в условиях интенсивного перемешивания раствора. При этом хроноамперограмма отображает кинетику электродной химической реакции. Когда перемешивание раствора прекращается и скачком увеличивается приложенное напряжение, получаемый участок хроноамперограммы отражает кинетику происходящей реакции в режиме диффузии ионов к электродам. В установившемся режиме скорость реакции определяется скоростью диффузии.
Вариант 3. Введение в хроноамперометрический сенсор встроенного микрокомпьютера позволяет, во-первых, автоматизировать все запланированные манипуляции (изменение приложенного напряжения, включение/выключение перемешивания, добавление других растворов, смену электродов, ...). Во-вторых, встроенный микрокомпьютер может автоматически выполнять все, даже сложные, преобразования информации, вытекающие из математических моделей изучаемых реакций, выводить результаты измерений на дисплей или на принтер в желательной для пользователя форме. Он позволяет реализовать двустороннюю связь с внешними компьютерами. При загрузке соответствующих программ позволяет самому пользователю свободно программировать алгоритм исследования. А при загрузке соответствующих критериев, встроенный микрокомпьютер может даже сам выполнять диагностику.
Вариант 4. Наличие математической модели происходящих в электрохимической ячейке процессов позволяет вычислять их кинетические характеристики по результатам полученных при хроноамперометрическом исследовании измерений. Интеллектуальный сенсор может сам определять по получаемым данным природу происходящих химических реакций, в зависимости от этого "на ходу" изменять программу дальнейшего исследования. Благодаря этому, в ходе одной серии измерений можно получить намного больше ценной информации.
Упражнение 17.3.
Вариант 1. Анализатор "ИВА-5" предназначен для определения концентрации многих видов ионов (меди, свинца, кадмия, ртути ...) в природных, питьевых и сточных водах, в пищевых продуктах и в продовольственном сырье, в биологических жидкостях (фракции крови, моча) и т.д. В нем используется вольтамперометрический метод. Измерительный электрод в нем – графитовый, модифицирован так, чтобы уменьшить влияние на анализ органической составляющей анализируемого раствора. Электрод сравнения – хлорсеребряный, вспомогательный электрод – стеклоуглеродный. Анализатор работает с внешним компьютером. При расходе пробы 1-10 мл на один анализ "ИВА-5" позволяет при анализе воды определять концентрации большинства ионов в диапазоне 0,1-10000 мкг/л, ртути – от 0,01 до 500 мкг/л. При анализе пищевых продуктов – чувствительность определения составляет 0,02 мкг/л.
Вариант 2. "Базовый анализатор ТА-07" позволяет реализовать широкий набор методов электрохимического анализа: вольтамперометрию (прямую, инверсионную, циклическую), хроноамперометрию, кулонометрию. Возможны почти все варианты вольтамперометрии: на постоянном токе, ступенчатая, синусоидальная с фазовым разделением активной и ёмкостной составляющих, квадратно-волновая, импульсная. В нём имеются и могут быть использованы: вибрационное перемешивание, высокоэффективный УФ облучатель для деактивации органических веществ и кислорода, автоматический подъем электродов с поворотом для удобной смены стаканчиков и электродов, стаканчики из чистого плавленого кварца. Он работает с внешним персональным компьютером. Анализатор ТА-07 позволяет определять концентрации широкого набора примесей (Zn, Cd, Pb, Cu, Hg, As, Fe, Se, Sb, Sn, Сr, Bi, Mn, Co, Ni, Au, Ag, иод, анилин, витамины В1, В2, С и др.) в диапазоне от 0,05 до 10000 мкг/л.
Вариант 3. Полярограф АВС-1.1 предназначен для вольтамперометрического анализа на присутствие тяжелых металлов в питьевой воде, в естественных и сточных водах, в продуктах питания и в продовольственном сырье, в биологических и других материалах. Он реализует, в частности, методики инверсионной и циклической вольтамперометрии. Он работает с внешним персональным компьютером. Чувствительность обнаружения составляет от 0,1 мкг/л (для $$Cd, Pb, Ni$$ ) до 10 мкг/л (для $$Zn$$ ). Время одного анализа (без приготовления пробы) не превышает 10 мин. Благодаря высокой чувствительности, низкой стоимости и экспрессности анализов, полярограф является экономичной альтернативой дорогим спектроскопическим приборам и успешно конкурирует с ними в практике анализа тяжелых металлов. Программное обеспечение и система встроенных меню позволяют программировать гибкое управление измерениями и обработкой результатов, предоставляют удобный интерфейс для обмена оперативной информацией.
Вариант 4. Электрохимический сенсор "Alcotest 7410 Plus" предназначен для обнаружения и определения степени алкогольного опьянения человека. Сенсор измеряет концентрацию алкоголя в воздухе, который выдыхает человек, в диапазоне от 0 до 10 промилле с точностью ±0,05 промилле. Отбор пробы осуществляется через накладной мундштук. Очень малое аэродинамическое сопротивление выдоха позволяет проводить измерения даже в режиме "пассивного" дыхания, когда пациент не желает делать интенсивный выдох. Сенсор имеет встроенный микрокомпьютер и встроенные электронные часы, которые точно хронометрируют дату и время измерения. Сенсор автоматически составляет по узаконенной форме протокол измерения, который тут же может быть выдан на принтер.
Память данных сенсора позволяет хранить до 9700 протоколов измерения, а потом передавать их во внешний компьютер. Сенсор нуждается в поверке и калибровке лишь один раз в полгода. Процесс калибровки автоматизирован. Масса сенсора – около 500 г, размеры 230x70x34 мм. Перекрестная чувствительность к другим газам, например к ацетону или бензину, – отсутствует.
Вариант 5. Электрохимический сенсор "WATER TEST" позволяет быстро и точно измерить четыре важнейших гидрохимических параметра: $$pH$$, Red-Ox-потенциал, электропроводность и температуру воды. Благодаря встроенному микрокомпьютеру, он удобен и прост в обращении. Для проведения измерений достаточно залить исследуемый раствор в кювету прибора, выбрать из меню измеряемый параметр и считать показание дисплея. Всё остальное сенсор делает сам. Его широко применяют для контроля за качеством воды в технологических процессах водоподготовки, для санитарного контроля воды в бассейнах, при экологических исследованиях и т.д.
Вариант 6. Анализатор "Testo 330-3" предназначен для контроля, наладки и обслуживания котлов и других теплогенераторов, работающих на природном газе или пропане, на мазуте или дизтопливе, угле и т.п. Из электрохимических методов в нем используется кондуктометрический. Анализатор имеет встроенный микрокомпьютер. Его масса – 600 г, размеры 270x90x65 мм. Вместе с удобными сертифицированными сменными электрохимическими зондами сенсор обеспечивает измерение содержания кислорода, угарного газа ( $$CO$$ ), окислов азота $$(NO_X), CO_2$$. Кроме того, сенсор обеспечивает тщательный контроль и нахождение мест возможного просачивания горючих газов, измерение выносными зондами температуры пламени до 1200 $$\deg$$ С, давления и дифференциального давления газов, тяги, потока газа, КПД горелки, тестирование герметичности газового тракта.
С таким интеллектуальным сенсором специалист-теплотехник может быстро и оптимально отрегулировать горелку, тягу, проконтролировать все функции теплогенератора, устранить выявленные недостатки. Результаты измерений фиксируются в памяти, где могут храниться до 200 блоков данных и при необходимости через инфракрасный порт передаваться на принтер. Микрокомпьютер сенсора выполняет функции самодиагностики, диагностики состояния фильтров и электрохимических сенсоров и автоматической калибровки. Для общения с внешним компьютером имеется USB порт.
Упражнение 17.4. Биоанализаторы крови предназначены для быстрого выполнения самых необходимых биохимических исследований крови пациента, чтобы оперативно диагностировать состояние его здоровья и принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.
Вариант 1. Биосенсор "CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ " предназначен для непрерывного мониторинга уровня глюкозы в крови человека. Он состоит из двух частей, которые в период наблюдения пациент носит на себе. Тоненький ферментный электрод вводят под кожу на глубину 4-6 мм в области брюшины и надёжно закрепляют гигиеническим пластырем на поверхности кожи. Соединённый с ним тонким кабелем небольшой электронный блок ("монитор") цепляют к одному из предметов одежды или кладут в карман. Пациент ведёт обычную активную жизнь. Каждые 10 секунд сенсор автоматически проводит кулонометрическое измерение концентрации глюкозы в подкожной ткани, пересчитывает результат измерения на концентрацию глюкозы в крови и каждые 5 мин. вычисляет и запоминает среднее значение концентрации за прошедшую пятиминутку.
Всего за сутки накапливается 288 результатов измерения. Результаты последнего измерения и среднее значение за последнюю пятиминутку можно увидеть на дисплее монитора. В случае выявления угрожающей гипо- или гипергликемии сенсор может сообщать об этом с помощью звукового сигнала и соответствующей информации на мониторе. В монитор с помощью специальных символов рекомендуется вводить данные о таких важных событиях, как прием пищи, инъекция инсулина, занятие спортом или продолжительная физическая нагрузка, ощущение гипогликемии и т.д. Вместе с датой и временем суток они тоже запоминаются монитором. Когда после окончания периода наблюдения пациент приходит к врачу, накопленные в памяти монитора данные передаются на медицинский компьютер, в котором с помощью соответствующей программы анализируются и выводятся на экран в виде графика.
Непрерывное исследование с помощью интеллектуального сенсора типа CGMS $$\text{\textregistered}$$ System Gold $$\text{\texttrademark}$$ позволяет врачу-диабетологу лучше диагностировать состояние и индивидуальные особенности больного, выявить наличие скрытых эпизодов гипо- и гипергликемии, рекомендовать более адекватное и точное лечение, скорректировать режим жизни.
Вариант 2. Портативная система "DANA Diabecare IIS" содержит современный кулонометрический глюкометр, требующий для анализа минимальный объем крови, и инсулиновую помпу. Их совместную работу организует микрокомпьютер. Полученные результаты измерения глюкозы не только выводятся на дисплей, но и непосредственно используются для автоматического расчета и введения требуемой дозы инсулина. При выходе уровня сахара в крови за установленные границы, автоматически подаются сигналы тревоги. Система является портативной (масса 65 г), так что её необременительно повседневно носить при себе на легком поясе. Съемный инсулиновый резервуар содержит 300 ЕД инсулина. Использование точного режима введения инсулина позволяет достичь оптимальной компенсации сахарного диабета.
Вариант 3. Биохимический анализатор "CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ " позволяет за считанные минуты провести исследование крови пациента на целый ряд таких важных биохимических параметров, как "Общий холестерин", "Глюкоза", "Креатинин", "Кетоновые тела", "Триглицериды", "Липидный спектр" и др. – в зависимости от имеющегося набора тестовых панелек. Каждая тестовая панелька представляет собой биоселективный электрохимический электрод, нацеленный на измерение соответствующего биохимического показателя крови или одновременно нескольких показателей. Экспресс-анализаторы крови CardioChek $$\text{\texttrademark}$$ используются врачами скорой и неотложной помощи, сельскими и семейными врачами, а также в медсанчастях, фельдшерских пунктах, не имеющих собственной лаборатории, и даже в лабораториях лечебных учреждений с небольшой тестовой нагрузкой до 1000 анализов в год.
Вариант 4. Интеллектуальный сенсор для проведения анализа крови в космосе изготавливают с помощью микросистемной технологии. Внутри кристалла кремния формируют не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и крохотные жидкостные насосы, вентили и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. Когда капля крови попадает в небольшой приемный резервуар, к ней для предотвращения свертывания автоматически добавляются антикоагулянты. Затем она перекачивается в контейнер для разбавления, а из него – в сепаратор. Там клетки крови автоматически сортируются по размерам с использованием законов гидродинамики.
Каждая фракция через свой канал прокачивается в оптоэлектронный счетчик, который подсчитывает число проходящих сквозь него клеток (телец) крови. Определяются концентрация гемоглобина, РОЕ. А затем с помощью биоселективных МДП транзисторов, на затворах которых иммобилизованы соответствующие ферменты или антитела, определяется наличие и концентрация ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий. Результаты анализа передаются в бортовой компьютер и через средства связи сообщаются на Землю. В условиях космоса наличие такого сенсора очень важно.
Вариант 5. Интеллектуальный сенсор для выявления проявлений жизни на Марсе изготавливают с помощью микросистемной технологии. Внутри кристалла кремния формируют не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. На затворах ХЧПТ высаживают биоселекторы, чувствительные к аминокислотам, РНК, ДНК, микрофлоре, спорам, другим проявлениям жизни. Автоматические устройства будут брать пробы марсианского грунта или льда, дробить их и готовить контрольные растворы, которые и будут анализироваться. Благодаря наличию микрокомпьютера, через систему связи на Землю будут передаваться уже в значительной мере обработанная информация.
Вариант 6. Сенсорная микросхема для распознавания штаммов вируса птичьего гриппа H5N1 содержит ХЧПТ, на затворах которых высажены антитела различных штаммов вируса. Если в контролируемом растворе имеются вирусы соответствующего штамма, то антитела распознают их, присоединяют, и на выходе соответствующего ХЧПТ появляется сигнал. Если при использовании прежних методов для получения результата требовалось несколько дней плюс время на транспортировку в спецлабораторию, то теперь анализ можно выполнить на месте в течение одного часа. И тем самым можно сберечь жизнь тысячам домашних птиц, которые до сих пор становились жертвами преждевременных "профилактических зачисток".
