Вступ. Інструментальні методи дослідження

Лекція 1

Лекція 2

Потенціометрія й електрометрія

Потенціометричні методи досліджень. Устаткування для вимірювання показників рН. Чутливі рН-метри для кінетичних досліджень. Типи електродів: скляні іон-селективні, рідинні іонообмінні й тверді електроди. Індикатори для рН-метрії. Потенціометричне титрування окисно-відновних реакцій. Полярографія. Амперметричне титрування. Кисневі електроди та їх типи. Використання кисневих електродів при досліджуванні активності ферментів.

Електрохімічні методи аналізу засновані на використанні іонообмінних або електронообмінних процесів, що протікають на поверхні електрода або в приелектродному просторі. Аналітичним сигналом служить будь-який електричний параметр (потенціал, сила струму, опір, кількість електрики й ін.), функціонально пов'язаний зі сполукою й концентрацією розчину. Електрохімічні методи характеризуються високою чутливістю, низькими межами виявлення, широким інтервалом обумовлених змістів, простотою й невисокою вартістю апаратури.

 

Потенціометрія

Потенціометричний метод аналізу заснований на вимірі електрорушійної сили (ЕДС) оборотних гальванічних елементів. Гальванічний елемент складається із двох електродів: індикаторного й електрода порівняння, занурених в один розчин (ланцюг без переносу) або у два, що розрізняються по сполуці розчину, зв'язаних рідинним контактом (ланцюг з переносом). У потенціометрії використовують два класи індикаторних електродів.

1.Електроди, на міжфазних межах яких протікають електронообмінні процеси. Функціонування таких електродів покладено на принципі залежності рівноважного потенціалу від сполуки й концентрації досліджуваного розчину, описуваної рівнянням Нернста:

де Е – рівноважний потенціал; Е⁰ – стандартний потенціал, рівний рівноважному, якщо активність всіх компонентів, що беруть участь в електрохімічній реакції, дорівнює одиниці; n - число електронів, що беруть участь  у напівреакції; аох і аRed - активності окисленої й відновленої форм.

В основному це активні металеві електроди (срібний, мідний, кадмиевий і ін.) і інертні електроди (платиновий, золотий).

2. Електроди, на міжфазних границях яких протікають іонообмінні процеси - іоноселективні електроди (ІСЕ).

Потенціал системи, що складає із зовнішнього електрода порівняння й ИЕС, занурених у досліджуваний розчин, описується модифікованим рівнянням Нернста (рівняння Нікольського - Ейзенмана):

де const – константа, що залежить від значень стандартних потенціалів внутрішнього й зовнішнього електродів порівняння й від природи мембрани ИСЕ; a_i і z_i, a_k і z_k – активності й заряди основного (потенціаловизначаючого) і стороннього іонів відповідно; K_i/k^пот – потенціометричний коефіцієнт селективності ИСЕ стосовно потенціаловизначаючого іона (i) у присутності стороннього іона (к).

Як електрод порівняння в практичній роботі використовують хлорид-срібний або каломельний електроди. Їхні потенціали постійні й не залежать від сполуки розчину.

Розрізняють пряму потенціометрію (іонометрію) – безпосередній вимір рівноважного потенціалу й знаходження активності іонів у розчині – і непряму – Потенціометричне титрування – реєстрація зміни потенціалу в процесі хімічної реакції між обумовленою речовиною й титрантом. У потенціометричному титруванні використовують кислотно-основні, окислювально-відновні реакції, а також осадження й комплексоутворення. Індикаторний електрод вибирають залежно від типу хімічної реакції й природи іонів.

Пряма потенціометрія (іонометрія). При роботі з іоноселективним електродом необхідне його попереднє калібрування - установлення залежності між потенціалом електрода й активністю або концентрацією обумовлених іонів.

Для виміру ЕДС гальванічних елементів з ИСЕ найбільше часто використовують електронні вольтметри з високим вхідним опором (іономіри, рН - метри) різних марок.

Використовуючи стандартні розчини обумовлених сполук, одержують градуірувальний (калібрований) графік у координатах Е – lg a_i (E – lg C_i), при цьому вважається, що коефіцієнт активності досліджуваного іона або відомий, або може бути легко обчислений.

Розповсюджено й універсальний метод постійної іонної сили, відповідно до якого до розчинів потенціаловизначаючого компонента додають надлишок индеферентного електроліту, що створює постійну іонну силу як у стандартних, так і в досліджуваних розчинах. У цьому випадку можна використовувати графічну залежність Е – lg C_i.

За даними калібрування визначають наступні електрохімічні характеристики:

  1. Нернстовську область електродної функції – інтервал прямолінійної залежності потенціалу від активності (концентрації) потенціаловизначаючих іонів.

 2. Крутість електродної функції – кутовий коефіцієнт нахилу градуірувального графіка Е – lg C_i.

  3. Межа виявлення потенціаловизначаючого іона (С_min), для цього можна використовувати два прийоми:

а) екстраполюють прямолінійні ділянки залежності Е – lg C_i; отримана крапка перетинання відповідає на осі абсцис величині C_min;

б) на екстрапольованій лінійній ділянці електродної функції знаходять крапку, що відстоїть від експериментальної кривої на 18/z мВ (C_min в іонометрии відповідає концентрація, для якої відхилення від нернстовської залежності становить 59/z lg 2, тобто 18z мВ, де z – заряд потенціаловизначаючого іона). У випадку відхилення крутості електродної функції від теоретичної величини для визначення С_min використовують значення, експериментально знайдене із градуювального графіка.

4. Час відгуку ИСЕ – час досягнення стаціонарного потенціалу.

5. Селективність електрода щодо обумовленого іона в присутності сторонніх іонів.

 

Потенціометричне титрування. Потенціометричне титрування засноване на реєстрації зміни потенціалу індикаторного електрода в процесі хімічної реакції між обумовленим компонентом і титрантом. Кінцеву точку титрування знаходять по стрибку потенціалу, що відповідає моменту завершення реакції. З експериментальних даних, записаних у вигляді таблиці (V_{титранта} – Е), можна побудувати криву титрування в інтегральній формі або у вигляді першої й другої похідної й знайти кінцеву точку титрування (к.т.т.) графічно.

У всіх цих випадках думають, що крива титрування симетрична щодо крапки еквівалентності, оскільки за кінцеву точку приймають крапку максимального нахилу кривій. Якщо стрибок титрування великий, то погрішність при виконанні цього допущення невелика. На практиці проводять дві паралельні дотичні до пологого верхній і нижній частинам кривої й з'єднують їхній прямій таким чином, щоб точка перетинання її із кривої титрування ділила цю пряму на дві рівні частини. Опускають перпендикуляр із цієї крапки на вісь абсцис (вісь V - об'єм титранта) і одержують об'єм титранта, що відповідає к.т.т. більш точним способом знаходження к.т.т. являється графічне зображення залежності величин першій похідній від об'єму; максимум на цій кривій відповідає к.т.т. у випадку асиметричних криві титрування або при малому стрибку потенціалу варто користуватися другий похідній.

Потенціометричне титрування дозволяє проводити кількісне визначення в темно-пофарбованих і мутних розчинах, а також у сумішах.

 

Кулонометрічні методи

Кулонометрія заснована на вимірі кількості електрики, витраченого на електроперетворення обумовленої речовини (пряма кулонометрія) або на одержання титранта, що реагує з обумовленою речовиною (непряма кулонометрія).

Відповідно до законів Фарадея маса (m, г) електрохімічно окисленої або відновленої речовини дорівнює

де М - молекулярна або атомна маса речовини (г/моль); I - сила струму (А),   t - час (с.); n - число електронів; F - постійна Фарадея (96 500 Кл/моль).

Електроліз у кулонометричному осередку можна проводити при постійному струмі (гальваностатична кулонометрія) або при постійному потенціалі (Потенціометрична кулонометрія).

Кулонометричне титрування застосовують частіше, ніж пряму кулонометрію, тому що цей варіант придатний для визначення й електроактивних, і електронеактивних речовин, здатних кількісно взаємодіяти з титрантом у кислотно-основних, окислювально-відновних реакціях або реакціях комплексоутворення, а також у процесах осадження.

Титрант для кулонометричного титрування одержують на генераторному електроді в результаті електрохімічної реакції за участю розчинника, матеріалу електрода або допоміжного реагенту. У цьому складається основна перевага кулонометрії: не треба стандартизувати й зберігати титрант.

 

Кондуктометрія

Кондуктометричний метод аналізу заснований на вимірі питомої електропровідності аналізованого розчину. Електропровідність – це величина, зворотна електричному опору R. Одиницею виміру електропровідності є Ом^-1 або сименс (См). Розчини електролітів, будучи провідниками II роду, підкоряються закону Ома. Опір розчину прямо пропорційно відстані між електродами l і назад пропорційно площі їхньої поверхні S:

де - питомий опір (Ом/см).

Величину, зворотну питомому опору, називають питомою електропровідністю c = . Виміряється вона в См×см^-1. Електропровідність розведених розчинів електролітів залежить від числа іонів у розчині (тобто від концентрації), числа елементарних зарядів, стерпних кожним іоном, і від швидкості руху однаково заряджених іонів до катода або анода під дією електричного поля. З обліком всіх цих факторів електропровідні властивості іонів характеризують еквівалентною іонною електропровідністю l (рухливістю). Вона дорівнює добутку абсолютної швидкості руху іона на число Фарадея й має розмірність См×см² / (моль×екв.).

Еквівалентна електропровідність (рухливість) зменшується зі збільшенням концентрації розчину (збільшується іонна сила й ростуть між іонні взаємодії). При нульовій концентрації (нескінченне розведення) рухливості іонів стають максимальними й постійними. Тоді еквівалентна електропровідність розчину електроліту l⁰ при нескінченному розведенні дорівнює сумі рухомості іонів:

l⁰ = l⁰₊  + l⁰_– ,

віднесених до одиничного заряду.

Тому що при концентрації електроліту з моль-екв/л в 1 см³ утримується

1× 10-3З моль×екв, де питома й еквівалентна електропровідність електроліту зв'язані співвідношенням

c = 1× 10-3З×l

і, отже, питома електропровідність, обумовлена сумою внесків всіх іонів, дорівнює

c = 1× 10-3 × ,

де С_i – концентрація i-того іона, моль×екв/л; l_i – еквівалентна електропровідність i – того іона, См×див²/(моль×екв) S – площа поверхні електродів, см², l – відстань між електродами, см.

Найбільшу рухливість мають іони Н⁺ і ВІН^-.

Розрізняють пряму й непряму кондуктометрію або кондуктометричне титрування. В аналітичній хімії частіше використовують кондуктометричне титрування. Для нього придатні кислотно-основні або осаджувальні реакції, що супроводжуються помітною зміною електропровідності внаслідок утворення малодисоціюючих або малорозчинних сполук.

На мал. 2.2. наведена залежність (від об'єму долитого титранта при титруванні HCl гидроксидом натрію:

 

H⁺ + Cl^- + Na⁺ + OH^- ® Na⁺ + Cl^- + H₂O.

 

У міру додавання NaOH в аналізований розчин питома електропровідність почне різко знижуватися, тому що іони водню будуть заміщатися на менш рухливі іони натрію. Після того, як вся кислота буде відтитрована, c почне підвищуватися за рахунок появи надлишку гідроксид-іонів. Значення мінімальної c відповідає кінцевій крапці титрування. Несиметричність галузей обумовлена розходженням у рухливості іонів Н⁺ і ВІН^- (349,8 і 199,0 відповідно).

Кондуктометричне титрування придатне для аналізу пофарбованих або мутних розчинів, де незастосовні візуальні індикатори, дає достатню точність навіть для дуже розведених розчинів і можливість визначати компоненти суміші (наприклад, суміш сильної й слабкої кислот).   

Електрогравиметрія

Електрогравиметрія - це безеталонний метод, що застосовується в цей час в основному для визначення міді й аналізу мідних сплавів. Метод точний, однак, на проведення аналізу потрібно багато часу.

Метод заснований на вимірі маси речовини, що виділились у процесі електролізу на попередньо зваженому електроді, звичайно платиновій сітці. Електроліз можна проводити або при постійній силі струму, або при постійному потенціалі. Якщо задану величину потенціалу електрода контролювати за допомогою потенціостата, то можна роздільно визначати компоненти суміші.

 

Вольтамперометрічні методи

Вольтамперометрічні методи аналізу засновані на вивченні залежності сили струму від зовнішньої напруги, що накладається на електролітичний осередок. Вольтамперограма служить джерелом інформації про електродний процес, що протікає на індикаторному електроді. У якості останнього може виступати обертовий або стаціонарний платиновий, графітовий електроди, стаціонарний ртутний. Якщо як такий електрод застосовують ртутний електрод, що капає (його поверхня під час вимірів відновляється), то криву залежності сили струму від зовнішньої напруги називають полярограмою (історично сформована назва). Характеристиками класичної полярограми є потенціал напівхвилі, дифузійний струм і нахил.

Потенціал напівхвилі Е_1/2 (В) характеризує природу деполяризатора, оскільки він безпосередньо пов'язаний з величиною Е⁰ даної окислювально-відновної системи:

де Д_M і – коефіцієнти дифузії атома металу М у ртуті й іона металу Мⁿ⁺ у розчині; f і  – коефіцієнти активності атома металу в ртуті й іона металу в розчині відповідно; I – дифузійний струм (мкА). Якщо при реєстрації полярограми в осередку присутня велика кількість (0,1– 1 М) індиферентного електроліту й розчин не перемішують, величина струму, що протікає через осередок, визначається швидкістю дифузії деполяризатора. Граничний дифузійний струм (I_д) або пропорційна йому висота хвилі, відповідно до рівняння Ільковича, лінійно залежить від концентрації деполяризатора (відновлюючого іона) у розчині:

де n – число електронів; Д – коефіцієнт дифузії, див²×з^-1; m – швидкість витікання ртуті, мг×з^-1; t – час життя краплі, з; З – концентрація, ммоль/л.

Ця залежність є основою кількісного полярографічного аналізу.

Нахил полярограми дозволяє оцінити оборотність електродного процесу або число електронів, що беруть участь у ньому.

Якщо в розчині перебуває кілька речовин, потенціали яких розрізняються на 100 мВ і більше, те на полярограмі буде не одна хвиля, а декілька – по числу іонів, що відновлюються. Для аналізу сумішей, що містять іони або речовини із близькими потенціалами напівхвилі, застосовують методи диференціальної полярографії, що використовують криві .

 

Сучасними поліпшеними варіаціями полярографії є осцилографічна полярографія, інверсійна вольтамперометрія, імпульсна полярографія. Так, наприклад, інверсійна вольтамперометрія дає істотне збільшення чутливості (на 2-3 порядки в порівнянні зі звичайною полярографією) за рахунок виділення обумовленого елемента з дуже розведеного розчину й нагромадження його на електроді.

Об'єктами вольтамперометричного аналізу є не тільки неорганічні, але й багато органічних речовин, здатні до електрохімічних перетворень. До вольтамперометрично активних угруповань відносяться, наприклад, > СНО, > З = N, - NO₂, - O – O -, - S – S – і інші.

Розглянуті методи належать прямій вольтамперометрії. Обертові платинові, графітові й інші тверді електроди застосовуються й у непрямому методі – амперометричному титруванні. У процесі цього титрування після додатка окремих порцій титранта відзначають силу струму й будують криву в координатах сила струму - об'єм титранта. Точку еквівалентності знаходять графічно по перегину кривої.

 

Достоїнством методу амперометричного титрування, у порівнянні із прямій вольтамперометрією, є насамперед експресність і простота й, крім того, можливість визначати також неелектроактивне речовини.

 

Лекція 3

Лекція 4

Абсорбційна спектроскопія

Внаслідок поглинання випромінювання при проходженні його через шар речовини інтенсивність випромінювання зменшується й тем більше, чим вище концентрація світлопоглинаючої речовини.

Основний закон світлопоглинання (закон Бугера-Ламберта-Бера) описується рівнянням

I = I₀×10^{-e  C},

де I₀ – інтенсивність падаючого світла, I – інтенсивність світла, що пройшло через шар речовини (розчину) товщиною  з концентрацією З; e - молярний коефіцієнт поглинання (якщо концентрація виражена в моль/л, а товщина – у см).

Відношення I / I₀ = Т називається пропущенням. Оптична щільність (А) пов'язана із пропущенням наступним співвідношенням:

А = - lg T = - lg I / I₀ = lg I₀ / I.

 

Закон Бугера-Ламберта-Бера справедливий для монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі (, тому в останнє рівняння вводять індекс (:

А_l = e_l І c.

Позитивні й негативні відхилення від закону можуть бути обумовлені явищами дисоціації, полімеризації, комплексоутворення й т.п.

Оптична щільність розчину, що містить кілька пофарбованих речовин, має властивість адитивності (закон адитивності світлопоглинання). Відповідно до цього закону поглинання світла якою-небудь речовиною не залежить від присутності в розчині інших речовин. При наявності в розчині декількох пофарбованих речовин кожне з них буде давати свій адитивний внесок в експериментально обумовлену оптичну щільність А:

А = А₁ + А₂ + ………...+ А_n,

де А₁, А₂ і т.д. – оптична густина речовини 1, речовини 2 і т.д.

З огляду на концентрації кожної речовини, одержуємо:

А = l (e₁ c₁ + e₂ c₂ + …....+ e_n c_n).

 

 Світло поглинається розчином вибірково: при деяких довжинах хвиль світлопоглинання відбуваються інтенсивно, а при деяких світло не поглинається. Інтенсивно поглинаються кванти світла, енергія яких h(дорівнює енергії порушення частки, і ймовірність їхнього поглинання більше нуля. Молярний коефіцієнт поглинання при цих частотах досягає більших значень.

Розподіл по частотах (або по довжинах хвиль) значень молярного коефіцієнта поглинання називається спектром поглинання.

Звичайно спектр поглинання виражають у вигляді графічної залежності оптичної щільності А або молярного коефіцієнта поглинання (від частоти (або довжини хвилі (падаючого світла. Замість А або (іноді беруть їхні логарифми.

При вивченні інфрачервоних спектрів на графіку звичайно відкладають відсоток світлопропускання як функцію.

Найбільший інтерес представляють наступні характеристики спектра: число максимумів (або смуг поглинання); їхнє положення по шкалі довжин хвиль (або частот); висота максимуму; форма смуг поглинання. Для рішення аналітичних завдань використовуються так звані характеристичні частоти. Аналіз іч-Спектрів показав, що деякі зі спостережуваних частот можна привести у відповідність із коливаннями окремих атомів або груп атомів. Так, наприклад, було знайдено, що в спектрах всіх молекул, що містять зв'язки С-Н, є частоти в області 2 800-3 000 см^-1, зв'язок С = С характеризується частотою 1650 див^-1 і т.д. Такі частоти назвали характеристичними. По їхній наявності в спектрі можна судити про якісну сполуку речовини. Кількісний аналіз по ІЧ-спектрах заснований на застосуванні закону Бугера-Ламберта-Бера. Найчастіше тут використовується метод градуювального графіка.

 

Люмінесцентний аналіз

Люмінесцентний аналіз використовує світіння досліджуваного об'єкта, що виникає під дією ультрафіолетових променів, рентгенівських або радіоактивних променів, хімічних реактивів. Відповідно до цього розрізняють фотолюмінесценцію, рентгенолюмінесценцію, радіолюмінесценцію, хемілюмінесценцію. Якщо люмінесценція припиняється відразу при зникненні порушення, то неї називають флуоресценцією, а якщо триває після впливу - фосфоресценцією.

У хімічному аналізі частіше використовують флуоресценцію, і метод називають флуориметрія. Люмінесценція виникає в результаті електронного переходу в атомах, молекулах, іонах при їхньому поверненні зі збудженого в нормальний стан. В аналітичній хімії мають справу з розчинами флуоресціюючих речовин. Інтенсивність флуоресценції залежить від концентрації речовини, довжини хвилі збудливої радіації, температури розчину, присутності домішок, величини рН, природи розчинника.

Флуоресцентні методи аналізу діляться на прямі й непрямі. У прямих – безпосередньо виміряється інтенсивність флуоресценції. Засновано вони на законі С. И. Вавілова, по якому в області малих концентрацій (10-7 –10^-4 моль/л) інтенсивність флуоресценції (Ф) розчину лінійно залежить від концентрації (С):

Ф = КС.

З непрямих методів одержало поширення титрування за допомогою флуоресціюючих індикаторів (найчастіше це індикатори кислотно-основного титрування).

 

Інші оптичні методи

До них ставляться: а) рефрактометрія - метод, заснований на вимірі показника переломлення при проходженні лучачи світла через границю роздягнула прозорих однорідних середовищ; б) нефелометрія й турбидиметрія - методи, які застосовуються для аналізу суспензій, емульсій, суспензій і інших мутних середовищ. Нефелометричний метод визначення концентрації заснований на вимірі інтенсивності світла, неуважного зваженими частками, а турбидиметричний - на вимірі інтенсивності світла, що пройшло через це середовище.

Лекція 5

 

Лекція 6.

Світлова мікроскопія

 

Устрій світлового мікроскопа. Типи й класи світлових мікроскопів. Оптичні системи мікроскопа та їх характеристики. Процедури настроювання й обслуговування мікроскопів. Фіксація та мікротомія біологічного матеріалу. Типи мікротомів. Методи фарбування тканин. Гістохімічні барвники для фарбування базо- та оксифільних структур. Мікроскопічні методи імуногістохімічного аналізу. Техніка приготування мікротомних препаратів. Темнопольна мікроскопія. Фазово-контрастна мікроскопія. Диференціальний інтерференційний контраст (DIC). Поляризаційна мікроскопія. Стереомікроскопія. Мікроскопія у відбитому світлі. Фотодокументація матеріалів. Програмне забезпечення для обробки й аналізу цифрового зображення.

Лекція 7

Люмінесцентна мікроскопія

Фізика флуоресценції та його використання в аналітичних дослідженнях. Флуоресцентна мікроскопія. Специфічні флуорохроми та їх використання в мікроскопії. Методи FISH і МFISH гібридизації. Ультрафіолетова мікроскопія. Конфокальна мікроскопія. Колоколізаційний аналіз багатокольорової флуоресценції. Довготривалі 3D і 4D дослідження в глибоких шарах зразків в умовах in vivo. Відображення іонних процесів в живих клітинах (FRET-, FRAP-, FLIP- аналізи молекул), фотоактивація і фотоконверсія.

Лекція 8

Електронна мікроскопія

Принципи роботи електронного мікроскопу. Трансмісійні та скануючи мікроскопи. Конструкція електронних мікроскопів. Фіксація та пробопідготовка матеріалів. Негативне контрастування зразків. Ультрамікротомія. Фотодокументація та аналіз отриманих результатів.

Лекція 9

Хроматографічні методи

1. У чому сутність хроматографічного процесу?

2. Як класифікують методи хроматографії по агрегатному стані фаз і за методикою проведення експерименту?

3. У чому складається проявлюючий (елюатний) аналіз?

4.Що таке: а) висота хроматографічного піка; б) ширина хроматографічного піка; в) загальний утримуваний об'єм?

5. Які достоїнства й недоліки газової адсорбційної й газорідинної хроматографії?

6. У чому складається метод теоретичних тарілок у хроматографії?

7. Що являє собою кінетична теорія хроматографії?

8. Які особливості капілярної хроматографії?

9. На чому заснований якісний хроматографічний аналіз?

10. У чому сутність основних методів кількісної хроматографії: а) методи нормування; б) нормування з каліброваними коефіцієнтами; в) абсолютного калібрування; г) внутрішнього стандарту?

11. Які особливості має рідинна абсорбційна хроматографія?

12. У чому сутність тонкошарової хроматографії (ТСХ)?

13. Як проводиться якісний і кількісний аналіз методом тонкошарової хроматографії?

14. Які варіанти використовуються в рідинно-рідинній розподільній хроматографії?

15. Чим характеризується іонообмінна рівновага?

 

 

 

 

Лекція 1

Вступ. Інструментальні методи дослідження

Інструментальні методи дослідження біологічних об’єктів. Практичні задачі дисципліни. Оптичні, електрохімічні, хроматографічні та радіобіологічні методи аналізу, їх значення в сучасній біотехнології. Принципи автоматизації і комп’ютеризації процесів аналізу та контролю. Перспективи розвитку інструментальних методів дослідження.

У зв'язку із забрудненням атмосфери й водних басейнів викидами токсичних газів і промислових стоків необхідні чутливі методи хімічного контролю ступеня очищення випускаються в ріки, озера, моря, повітря й ґрунт відходів виробництва. Розвиток промисловості важкого органічного синтезу, переробки нафти, газу, вугілля, виробництво особливо чистих речовин вимагає надійних методів аналізу сировини, напівфабрикатів і готових продуктів. Іноді не можна обійтися без прийомів дистанційного аналізу, коли необхідно аналізувати високоагресивні, космічні або підземні об'єкти. Для керування технологічними процесами потрібні експресні методи аналізу, що дозволяють контролювати хід процесу.

Класичні хімічні методи аналізу (гравіметричний і титрометричний) характеризуються низькою швидкістю й недостатньою чутливістю. Тоді як більшість інструментальних (фізичних і фізико-хімічних) методів є високочутливими й експресними. До того ж багато фізико-хімічних властивостей специфічні, що забезпечує селективність інструментальних методів. Їхнє використання дозволяє провести повну автоматизацію аналізу. Треба, однак, відзначити, що більшість інструментальних методів менш точні, чим хімічні. Уважається, що у фізичних методах аналізу безпосередньо вимірюють за допомогою приладу які-небудь фізичні параметри системи без попереднього проведення хімічної реакції (прямій інструментальний аналіз). У фізико-хімічних методах попередньо проводять хімічну реакцію або стежать за її ходом за допомогою приладу, що реєструє фізичну властивість.

Інструментальні методи класифікують у відповідності із властивостями речовин, використовуваними для вимірів. Можна виділити наступні групи інструментальних методів аналізу: 1) оптичні - засновані на вимірі оптичних властивостей речовин; 2) електрометричні (або електрохімічні)- вимірюють електричні параметри речовин; 3) резонансні - використовують явища резонансного поглинання речовиною електричного або магнітного поля;    4) радіометричні - кількість речовин вимірюють по їхній радіоактивності або за допомогою радіоактивних індикаторів; 5) термічні - вимірюють теплові ефекти, що супроводжують різні процеси; 6) хроматографічні - застосовується хроматографічний поділ у комбінації з детекторами розділених речовин; 7) мас-спектрометричні - засновані на вимірі маси іонізованих осколків молекул речовини; 8) ультразвукові - вимірюють швидкість ультразвуку в розчинах речовин і інші методи.

Новим, що інтенсивно розвивається напрямком є застосування сенсорів в аналізі. Сенсорами називають чутливі елементи невеликих розмірів, що генерують аналітичний сигнал, інтенсивність якого залежить від концентрації обумовленої речовини в об'єкті. За допомогою сенсора проводять інструментальний кількісний вимір змісту речовини, попередньо виконавши градуювання приладу за стандартами.

Сенсори є основними елементами нового покоління аналітичних приладів, що включають пристрій для уведення проби, чутливий елемент, обробку аналітичного сигналу й видачу кінцевого результату про концентрацію компонента. Для них характерні мала маса (рідко перевищуюча 200 г) і габарити приблизно 100х50х20 мм, автономний, автоматизований режим роботи й мала витрата енергії. Існує три типи сенсорів: фізичні, хімічні й біосенсори. У фізичних сенсорах не відбуваються хімічні реакції, а під впливом аналізованої речовини змінюються електричні, теплові, магнітні або спектральні характеристики.

Відмітна ознака хімічних і біосенсоров - наявність рецептора - шаруючи молекул або часток речовини, що приймають участь у хімічних, біохімічних або біологічних процесах, що протікають при контакті сенсора з обумовленим компонентом об'єкта. Іншим необхідним елементом таких сенсорів є перетворювач енергії (трансдьюсер) зазначених аналітичних процесів в електричний або світловий сигнал. Далі цей сигнал обробляється в електронному блоці й подається на дисплей.

У хімічних сенсорах роль рецептора грають різні реагенти, які змінюють оптичні, електрохімічні або інші характеристики при зміні рн розчину, взаємодії з катіонами, аніонами або молекулами газів досліджуваних середовищ.

Хімічні сенсори подають пряму інформацію про сполуку середовища без відбору проби і якої-небудь її попередньої підготовки.

Для підвищення вибірковості хімічних сенсорів перед хімічно чутливим шаром звичайно поміщають іонообмінні або інші мембрани, що селективно пропускають частки обумовленої речовини.

У біосенсорах рецепторами є ферменти, антитіла, антигени, біологічні мембрани або мікроорганізми. Основна область застосування біосенсорів - аналіз у медицині, біотехнології, хімічній, харчовій промисловості й навколишньому середовищу. Про зміст обумовленої речовини в об'єкті часто судять по концентрації продуктів біохімічної реакції, наприклад, пероксида водню, кисню й т.д. Переваги біосенсорів - висока селективність і чутливість визначень, недоліки - невисока стабільність, труднощі одержання біоорганічного матеріалу постійної сполуки.

Трансдьюсерами в біосенсорах можуть бути електрохімічні й оптичні перетворювачі, калориметричні системи.

По способі реєстрації аналітичного сигналу сенсори ділять на електричні, електрохімічні, оптичні, чутливі до зміни маси й т.д.

До електричних сенсорів відносять напівпровідникові пристрої з електронною провідністю на основі оксидів Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, W, V, органічних напівпровідників (хелати фталоціанінів, порфіринів і інші органічні сполуки), польових транзисторів. Вимірюваними величинами є провідність, заряд, ємність, різниця потенціалів, які змінюються при адсорбції або іншому впливі обумовленої речовини. Найпоширеніші й перспективні польові транзистори; у них металевий контакт затвора (керуючого електрода) замінений хімічно чутливим шаром і електродом порівняння. Головними перевагами польових транзисторів є малі розміри (1-2 мм²) і маса, швидкодія й модульна технологія виготовлення.

В електрохімічних сенсорах хімічне перетворення й генерація аналітичного сигналу протікає в мініатюрному електрохімічному осередку, що виконує роль іоноселективного електрода з рідкою або твердою мембраною. Найпоширеніші потенціометрічні й амперометрічні сенсори, мембрани яких можуть містити як хімічні, так і біохімічні компоненти. За допомогою електрохімічних сенсорів визначають іонні й нейтральні сполуки органічної й неорганічної природи, а також гази й біологічно активні речовини в широкому діапазоні концентрацій (2-4 порядки).

Дія оптичних сенсорів (оптодів - оптичних електродів) засновано на вимірі поглинання й відбиття падаючого світлового потоку, люмінесценції або теплового ефекту, що супроводжує поглинання світла рецептором. У волоконно-оптичних сенсорах фоточутливий реагент може бути іммобілізований на поверхні волокна світловода, виготовленого із кварцу або інших видів стекол, що дозволяють працювати в УФ-, видимої й ІЧ-області спектра. Розроблені оптичні сенсори для визначення рН, іонів металів, аніонів, глюкози, сечовини, пероксида водню, газів, деяких органічних сполук в об'єктах навколишнього середовища, медицині, промисловості.

Сенсори призначені для прямого визначення конкретної речовини в заданому діапазоні концентрацій при фіксованих способах уведення проби й обробки отриманої інформації. Вони можуть входити до складу більше складних аналітичних приладів.

На основі сенсорів конструюють сенсорні аналізатори, що представляють собою батарею сенсорів, кожний з яких подає інформацію про зміст окремого компонента. Підключена до комп'ютера, така батарея забезпечує аналіз складних багатокомпонентних сумішей. Сенсорні аналізатори широко використовуються в різних галузях промисловості, енергетиці, транспорті, медицині, екології, сільському господарстві. Велике значення має своєчасне виявлення вибухових, горючих, шкідливих речовин. Сенсори дають можливість оптимізації роботи двигунів по сполуці вихлопних газів, контролюють склад багатьох органічних і неорганічних домішок у повітрі.

 

Лекція 2