ftm seminarski

Poljoprivredni fakultet,

Univerzitet u Beogradu

Studijski program: Prehrambena tehnologija

Modul: Tehnologija ratarskih proizvoda

Predmet: Fizičko- tehnička merenja

Elektrohemijski senzori- potenciometrijski,

konduktometrijski i kalorimetrijski

seminarski rad

Predmetni nastavnici: Student:

prof.dr. Đukan Vukić Rajković Milun

doc.dr. Branko Radičević TR 14/759

Beograd, 2015.

Elektrohemijski senzori

Uvod

1.Tipovi senzora

2.Elektrohemijski senzori

2.1.Potenciometrijski pretvarači - pH metar

2.2.Konduktometrijski pretvarači

2.3.Kalorimetrijski biosenzori

- Zaključak

- Literatura

strana

2

4

6

6

12

14

16

1


Uvod:

Senzori se mogu definisati kao analitički uređaji koji u sebi uključuju biološki aktivnu

komponentu u bliskom kontaktu sa fizičko-hemijskim pretvaračem i procesorom

elektronskog signala. Izraz senzor se često upotrebljava za detekcione uređaje koji imaju za

cilj da odrede koncentraciju supstance i drugih bioloških parametara od interesa čak i onda

kada ne koriste biološki sistem direktno. Senzori se koriste u širokoj oblasti rešavanja

analitičkih problema u medicini, zaštiti životne sredine, proizvodnji hrane, industrijskim

procesima, sigurnosnoj zaštiti i vojnoj industriji. Osobine koje ih čine toliko posebnim i

značajnim u životu ljudi su brzina i efikasnost.

Naučnik koji je prvi izneo ideju o konceptu senzora jeste Leyland D. Clark, koji je

1956. godine objavio rad vezan za kiseoničnu elektrodu. Oslanjajući se na dugogodišnje

iskustvo i veliku želju da proširi oblast telesnih analita koji mogu biti mereni, napravio je

prekretnicu kada je na konferenciji u Američkoj akademiji nauka u Nju Jorku 1962. godine

objasnio kako je moguće napraviti elektrohemijske senzore dodavanjem enzimskih

pretvarača umetnutih između dve membrane. Koncept je izveden na eksperimentu u kojem je

glukozna oksidaza bila umetnuta i fiksirana na Klarkovu kiseoničnu elektrodu korišćenjem

membrana za dijalizu. Smanjenje merene koncentracije kiseonika bilo je prorporcionalno

povećanju koncentracije glukoze u uzorku.

Kontinualno merenje laboratorijski nepripremljenih uzorka i produkata je bitno u

kontroli hemijskog procesa. Odnedavno mnogi senzori imaju razvijene i obezbeđene metode

za brzo i kontinualano merenje različitih komponenti. Senzor je opšte gledano enzim ili ćelija

kojoj je onemogućeno kretanje a koja u kombinaciji sa pretvaračem omogućava praćenje

promena parametara mikrookoline. Sam senzor je obično potopljen u tečnost i on je u

direktnom kontaktu sa procesom. Biosenzor (slika 1) se sastoji od:

1) biološki aktivne komponente (enzim, antitelo, ćelija ...)

2) sistemom koji onemogućava kretanje biološkog sistema

3) pretvarača (eng. Transducer) koji ima sposobnost da uočenu fizičku ili hemijsku promenu

prevede u signal pogodan za obradu

4) uređaja za obradu elektronskog signala

2


Slika 1. Šema biosenzora

U blizini određenog molekula biološki sistem menja okruženje koju osetljiv merni

uređaj registruje kao promenu i šalje u signal. Takav signal se dalje može konvertovati u

neki pogodan merni parametar. Biosenzori su specifični jer koriste sistem imobilizacije i

omogućavaju naprednu neprekidnu kontrolu merenja.

Bioelementi koji se koriste u biosenzorima su najčešće enzimi i antitela mada mogu

biti i mikroorganizmi, organele, ćelije, tkiva itd. Veliki molekuli proteina koji ubrzavaju

hemijske reakcije i do nekoliko miliona puta i iz nje izlaze hemijski nepromenjeni nazivaju se

enzimi. Osnovna ideja upotrebe enzima kod senzora jeste da se na enzim povežu molekuli

reakcije na koju enzim deluje. Tom prilikom se stvara kompleks sastavljen od enzima i

molekula reakcije koji nije dugoročan i iz te interakcije dobijamo sada nove produkte reakcije

koje možemo meriti dok enzim izlazi iz reakcije potpuno nepromenjen (slika 2).

Slika 2. Grafički prikaz interakcije enzima i molekula

3


1.Tipovi senzora

Čovek poseduje najmanje pet senzora (nos, jezik, uši, oči, prsti) [2]. Oni predstavljaju

glavne tipove senzora. U laboratoriji jedan od najpoznatijih tipova senzora jeste lakmus papir,

tester za koncentraciju kiseline odnosno koncentraciju baze koji nam može dati kvalitativnu

indikaciju o prisutnosti ili odsutnosti kiseline. Mnogo precizniji metod za prikaz stepena

kiselosti je merenje pH pomoću pH metra. To je elektrohemijski uređaj koji daje električni

odziv koji se može očitati analogno preko kretnog kalema ili digitalno preko displeja.

Prema načinu detektovanja koncentracije analita od interesa senzore možemo podeliti

na dva tipa. Prvi su enzim-metabolički biosenzori koji u sebi uključuju upotrebu enzimskih i

ćelijskih elektroda. U reakciji supstrata sa enzimom dolazi do supstrat enzimskog komplaksa

koji kao rezultat vraća enzim u izvornom obliku i produkte koji su proizvod reakcija. Kod

ovakvog tipa biosenzora meri se odnos potrošnje substrata i oslobođenih proizvoda što se

dalje prevodi u kvantifikovani signal. Drugi tip predstavljaju tzv. bioafinitetni senzori koji se

baziraju na interakcijama vezivanja imobilizovanih biomolekula i analita od interesa. Bitna

karakteristika ovakvog tipa biosenzora je visoka selektivnost interakcija (slika 4). Primeri

obuhvataju antitelo-antigen interakcije, nukleinske kiseline za komplementarne sekvence i

lektin za šećer.

Slika 4. Visoka selektivnost bioafinitetnih senzora

4


U Tabeli 1 prikazani su najčešće korišćeni principi detekcije. U desnoj koloni tablice

dati su i tipični predstavnici za svaki princip.

Princip Merenje (fizička veličina) Tipičan senzor (detektor)

Konduktometričn

i

Otpor Tanko oksidni gasni senzor

Potenciometrijski Napon Jon selektivni FET za pH

Kapacitivni Kapacitet Polimerni senzor vlage

Amperometrijski Struja Elektrohemijska ćelija

Kalorimetrijski Toplota / Temperatura Pelistorni gasni senzor

Gravimetrijski Masa Piezo električni ili SAW

senzor

Optički Dužina putanje /

apsorpcija

Infra crveni detektor za

metan

Rezonantni Učestanost Površinski plazmon

Fluorescentni Intenzitet Fiber

Tabela 1. Najčešće korišteni principi detekcije kod biohemijskih senzora

5


2.Elektrohemijski senzori

Elektrohemijski senzori su najrazvijenija grupa hemijskih senzora. Prema električnoj

veličini koju mere mogu se podeliti na: naponske (eng. Potentiometric sensors), strujne (eng.

Amperometric sensor) i senzore koji mere otpor (eng. Conductometric sensor). Zajednička

karakteristika im je da koriste posebne elektrode na kojima se odvijaju hemijske reakcije ili

dolazi do modulacije prenosa naelektrisanja. Budući da je osnovna pretpostavka delovanja

takvih senzora zatvoreno strujno kolo u praksi se koriste dve elektrode od kojih jednu

zovemo povratna a drugu radna elektroda. U praksi često se elektrohemijski senzori nazivaju

i elektrohemijske ćelije.

2.1.Potenciometrijski pretvarači - pH metar

Princip rada ovakve vrste senzora zasniva se na merenju napona elektrohemijske

ćelije. Elektrohemijska ćelija se sastoji od dve polućelije. Svaku polućeliju predstavlja

elektroda uronjena u rastvor soli. Na kontaktu elektroda-elektrolit dolazi do spontane

hemijske reakcije tzv. redoks reakcije. Redoks reakcije su reakcije razmene elektrona gde

dolazi do promene oksidacionog broja supstanci koje učestvuju u procesu oksidacije i

redukcije. Oksidacija je proces otpuštanja elektrona ili povećanja oksidacionog broja

supstance. Redukcija je proces primanja elektrona ili smanjenja oksidacionog broja.

Redukciona supstanca Red se oksiduje otpuštajući elektrone a oksidaciona supstanca Ox se

redukuje primajući elektrone.

Red1 Ox1 + ne Anoda (1)

Ox2 + ne Red2 Katoda (2)

Red1 + Ox2 Ox1 + Red2 (3)

Razlikuju se hemijske i elektrohemijske redoks reakcije. Hemijske redoks reakcije se

odigravaju u reakcionom medijumu bez posredstva elektroda dok se elektrohemijske redoks

reakcije odigravaju isključivo posredstvom metalnih elektroda. Koncentracije supstanci koje

učestvuju u redoks reakcijama mogu se odrediti merenjem potencijala elektroda uronjenih u

rastvore elektrolita. Za neku elektrohemijsku reakciju redukcije: Ox + ne Red veza između

6


elektrohemijskog potencijala Eox/red i koncentracije nekog redoks para u rastvoru daje

Nernstova (W. Nernst) jednačina (4).

(4)

gde je:

Eox/red standardni potencijal elektrohemijske reakcije

RT/F Konstanta ( R = 8,315 J/mol K; T = 298,1 K ; F = 9,65104 C/mol;

prilikom prelaska sa prirodnog na dekadni logaritam konstanta ima

vrednost od 0,059 V )

n broj elektrona koji učestvuju u reakciji

ared i aox aktivnost supstance u redukovanom i oksidovanom obliku

U slučaju kada je koncentracija supstanci manja od 0,1 moldm3 aktivnost se može

zameniti koncentracijom:

(5)

Nernstova jednačina omogućava izračunavanje i procenu sledećih veličina bitnih za hemijske

i elektrohemijske redoks procese:

izračunavanje elektrohemijskih potencijala

izračunavanje koncentracije jona na osnovu elektrodnog potencijala

izračunavanje elektromotornih sila

procenu tipa elektrohemijske ćelije

određivanje smera redoks reakcija u ćelijama

određivanje konstanti ravnoteže na osnovu izmerenih EMS ćelija

7


Elektrode mogu da budu indikatorske kada potencijal elektrode direktno zavisi od

koncentracije jona u rastvoru i referentne koje imaju konstantan potencijal. Indikatorske

elektrode su: vodonična (H+-jon), staklena (H+-jon), srebrna (Ag+-jon) i druge.

Referentne elektrode su: zasićena kalomelova elektroda, standardna vodonična

elektroda, srebro-srebrohloridna elektroda (Ag/AgCl) i druge. Elektromotorna sila E

predstavlja razliku elektrodnih potencijala elektroda unutar elektrohemijske ćelije.

Elektromotorna sila ćelije se može izračunati kao:

E = Ekatoda Eanoda (6)

Elektrohemijska ćelija ili spreg jeste uređaj koji se sastoji od dve metalne elektrode

uronjene u rastvore odgovarajućeg elektrolita koje su međusobno odvojene polupropustljivim

pregradama. Metalne elektrode zajedno sa svojim rastvorima (polućelije) su tako odabrane da

je potencijal u jednoj polućeliji viši od potencijala u drugoj polućeliji. Polućelije su povezane

preko rastvora solnim mostom (eng. salt bridge) što je prikazano na slici 5.

Slika 5. Skica elektrohemijske ćelije

Elektrodu na kojoj je potencijal viši zovemo anodom a elektrodu kojoj je potencijal

niži nazivamo katodom . Otpušteni elektroni anode dolaze na katodu i tamo ponovno

8


redukuju jone katode. Smanjenje jona na elektrodi katode neutrališe se jonima suprotnog

predznaka iz solnog mosta. Analogno u polućeliji katode otpušteni joni metalne elektrode u

rastvoru predstavljaju višak naelektrisanja koji se neutrališe jonima suprotnog naelektrisanja

iz solnog mosta. Na taj način strujno kolo se zatvara.

Slika 6. Merna i referentna pH elektroda

Kod potenciometrijskih senzora izmereni potencijal na selektivnoj memembrani ili

elektrodnoj površini koja je u kontaktu sa rastvorom povezan je sa koncentracijom jona u

analitu. Potencijal (relativni) se meri pri nultoj struji i prema referentnoj elektrodi. U slučaju

merenja pH vrednosti tečnosti (negativni logaritam koncentracije vodonikovih jona) merna

elektroda se najčešće realizuje kao staklena elektroda čija membrana propušta samo

vodonikove jone (slika 6). Merna elektroda je tzv. jonski osetljiva elektroda koja daje odziv

proporcionalan koncentraciji jona koji merimo. Elektrolit unutar staklene kugle merne

elektrode je rastvor hloridne kiseline u kojoj je stavljena elektroda od srebra sa prevlakom od

srebro hlorida (AgCl). Ono što se želi postići sa takvom mernom elektrodom je da napon koji

se javlja između rastvora hlorovodonične kiseline (HCl) i srebrne elektrode bude mali i

nepromenjiv. Na taj način merna elektroda zavisi samo od napona na polupropusnoj

membrani koji je odgovor pH vrednosti rastvora, tj. različite koncentracije vodonikovih jona

unutar staklene kugle. Prilikom merenja koncentracija drugih jona može se razlikovati tip

membrane na mernoj elektrodi kao i rastvor u kojoj je potopljena merna elektroda ali krajnji

9


cilj ostaje isti: učiniti napon jonski selektivne merne elektrode zavisan samo od koncentracije

merenih jona u rastvoru – kvantitativno izraženom Nernstonovom jednačinom.

Referentna elektroda se sastoji od vlastitog kućišta i elektrolita u koji je uronjena

elektroda. U slučaju pH metra to je obično elektroda sa živom i živinim hloridom (HgCl2)

prikazana na slici7.

Slika 7. Delovi mernog sistema potenciometarskog senzora

Uslov za konstantnim naponom postavljen je unutar referentne elektrode kao i na

mestu dodira referentne elektrode sa tečnošću čiju koncentraciju jona merimo. Za merenje

koncentracija jona drugih hemijskih elemenata princip je isti dok se sama realizacija

referentne elektrode izmenjena. Merenje pH vrednosti je u suštini utvrđivanje stepena

kiselosti nekog vodenog rastvora. Kiselost je određena koncentracijom vodonikovih H+ (OH-)

jona. Neutralan rastvor ima podjednaku koncentraciju H+ i OH- iona. Konstanta disocijacije K

je definisana na preko jednačine (7):

(7)

Kako je koncentracija nedisosovane vode mnogo veća od koncentracije disosovane

vode (koncentracije slobodnih H+ i OH- jona) moguće je deljenik izraza u jednačini (7)

10


smatrati konstantnim pa ga takođe staviti pod konstantu Kw koja pri 25°C iznosi 10-14 mol2dm-

6 prikazano u jednačini (8):

[ H+ ][ OH- ] = KW = 10-14 mol2 dm-6

[ H-] = [ OH+ ] = 10-7 mol dm-3 neutralan rastvor (8)

Ovako zapisano, kiselost rastvora se može odrediti koncentracijom vodonikovih katjona H+

gde je u kiselim rastvorima koncentracija velika ( veća od 10 -7) a u baznim mala (manja od

10-7). Iz praktičnih razloga se pH vrednost rastvora označava eksponentom prema jednačini

(9):

pH = - log [H+]

pH < 7

pH > 7

pH = 7

kiselo

bazno (9)

neutralno

Iako se očekuje da jon-selektivna elektroda reaguje samo na primarne jone ne postoji

ni jedna koja neće reagovati na prisustvo drugih jona. Iz ovoga proizilazi da će u prisustvu

interferujućih jona potencijal elektrode zavisiti i od koncentacije primarnih i koncentracije

interferujućih jona. Kod merenja glukoze koristimo jodid selektivnu elektrodu. Reakcije koje

se dešavaju uz prisutvu enzma oksidaze su

glukoza + O2 → glukozna kiselina + H2O2 (10)

H2O2 + 2 I- + 2 H+ → I2 + 2 H2O (11)

Jodid-selektivna elektroda prati smanjenje koncentracije jodida što je prouzrokovano

dejstvom vodonik-peroksida.

11


2.2.Konduktometrijski pretvarači

Kod ove vrste pretvarača cilj je izmeriti provodljivosti elektrolita u elektrohemijskoj

ćeliji. U homogenom elektrolitskom rastvoru provodljivost elektrolita G je inverzno

proporcionalana dužini segmenta elektrolita L duž električnog polja a direktno

proporcionalna površini poprečnog preseka A upravnog na smer polja, jednačina (15):

(15)

gde je ρ-specifična provodljivost [Ω-1cm-1] elektrolita povezana sa koncentracijom merenih

jona u rastvoru. Prema Kohlarausch-u postoji direktna veza između provodljivosti i

koncentracije data jednačinom (16)

G = G0 – β⋅c 0,5 (16)

gde je β-karakteristika elektrolita, G0-provodljivost elektrolita uz upotrebu idealnog rastvora

(eng. infinite dilution). Praktično merenja provodljivosti elektrolita vrši se upotrebom

Wheatston-ovog mosta gde je otpor u jednoj grani mosta zamenjen elektrolitskim rastvorom.

Pri merenjima se po pravilu elektrode polarizuju niskonaponskim i niskofrekvetnim

strujama. Primena jednosmerne struje za polarizaciju elektroda može da dovede do

elektrohemijskih promena (elektrolize) koja menja prirodu elektroda (modifikuje površinu) ili

dovodi do redoks reakcija koje menjaju sastav i koncentraciju elektrolita. Zbog toga se otpor

elektrolita odnosno specifična provodljivost menjaju odmah po uključivanju kola

jednosmerne struje. Ove promene su veće i brže ukoliko su napon i jačina jednosmerne struje

veći a vreme merenja duže. Pored toga pri merenju provodljivosti naizmeničnom strujom

treba obratiti pažnju na zagrevanje elektrolita ukoliko se upotrebe jače struje. Potrebno je

upotrebiti slabije struje polarizacije a ćeliju uključivati samo u toku merenja. Provodljivost

elektrolita zavisi pre svega od njegove koncentracije a koncentracija zavisi od stepena

disocijacije molekulskog oblika supstance. Prema Ohm-ov zakonu jednačina (17), struja kroz

otpornik iznosi:

12


R

UI

(17)

Električni otpor homogenog provodnika dat je jednačinom (18), gde je k - specifični otpor, l -

dužina, S - površina

S

lkR

(18)

Specifična provodljivost elektrolita data je jednačinom (19), gde je C-otporni kapacitet

posude, R-otpor.

C

R

(19)

Specifična provodljivost elektrolita meri se na udaljenosti od 1cm između elektroda

od platina čija je površina 1x1cm. Otporni kapacitet posude C se uvek određuje

eksperimentalno merenjem otpora elektrolita čiju specifičnu provodljivost znamo iz rastvora

kalijum-hlorida.

13


2.3.Kalorimetrijski biosenzori

Mnogo katalitičkih enzimskih reakcija je egzotermno. Oslobođena energija u vidu

toplote može biti iskorišćenja kao osnov za merenje brzine reakcije i koncentracije analita.

Ovo predstavlja najopštiji tip primenjenih biosenzora koji se zovu kalorimetrijski biosenzori.

Promena temperature obično je određena vrednostima otpora na termistorima koji se nalaze

na ulazu i izlazu male cilindrične kapsule u kojoj se nalazi imobilizovani enzim. Kapsula je

temperaturno izolovana od okruženja. Pod tako strogo kontrolisanim uslovima može se

registrovati čak 80% proizvedene toplote prilikom protoka jediničnog uzorka kroz zapreminu

kapsule. Promena temperature može se kvantitativno izračunati promenom entalpije

izolovanog sistema. Ako 1 molM reaktanta kompletno bude prevedeno u produkt reakcije

proizvodeći pri tome 100 KJ/mol onda svaki mmolM proizvodi 0,1 J toplote. Sa 80%

efikasnosti to će prouzrokovati promenu temperature u konačnom iznosu od aproksimativno

0,02 C. Da bi kalorimetrijski biosenzor bio upotrebljiv, mora ispuniti uslov da rezolucija

promene temperature bude reda 0,0001 C.

Reaktant Enzim Količina toplote

kJ/mole

Cholesterol Cholesterol oxidase 53

Esters Chzmotrypsin 4-16

Glucose Glucose oxidase 80

Hydrogen peroxid catalase 100

Penicillin G Penicillinase 67

Peptides Trypsin 10-30

Starch Amylase 8

Sucrose Invertase 20

Urea Urease 61

Uric acid uricase 49

Tabela- 2. Detektovana promena toplote za različite reaktante i odgovarajuće enzime

14


Slika 14- Šematski dijagram kalorimetrijskog biosenzora

Na slici 14 vidimo kako uzorak (a) protiče kroz spoljšnji temperaturni izolator (b) do

izmenjivača toplote (c) unutar aluminijumskog bloka (d). Odatle, reaktant prolazi kroz

referentni termistor (e) i enzimsku kapsulu ( zapremine 1 ml ) koja sadrži biokatalizator u

kojoj se odvija reakcija. Promena temperature određuje se preko termistora (g) a preko

izlaznog otvora (h) reaktant napušta merni uređaj. Spoljašnja elektronika (i) određuje

promenu opora, odnosno promenu temperature među termistorima. Termistori se koriste za

detekciju promene temperature tako što im električna provodnost, odnosno otpornost zavisi

od temperature po sledećoj zavisnosti:

= B(23)

Gde su R1 i R2 otpornosti termistora na apsolutnim temperaturama T1 i T2 dok je B

karakteristična temperaturna konstanta termistora. Kada je promena temperature veoma mala

kao u navedenom slučaju B << 1 i datu relaciju možemo uprostiti. Uzimajući

aproksimaciju kada je x<<1 da je ex >> 1+x ; x je ovde B

R1=R2

(24)

15


Relativno smanjenje eletrične otpornosti termistora proporcionalno je povećanju temperature

(T). Tipična konstanta propocionalnosti - je - . Promena otpornosti prevodi se pomoću

balansiranog Wheatstone-ovog mosta u propocionalnu promenu napona.

Zaključak:

Senzori su analitički uređaji koji u sebi uključuju biološki aktivnu komponentu

u bliskom kontaktu sa fizičko-hemijskim pretvaračem i procesorom

elektronskog signala.

Izraz senzor se često upotrebljava za detekcione uređaje koji imaju za cilj da

odrede koncentraciju supstance i drugih bioloških parametara od interesa čak i

onda kada ne koriste biološki sistem direktno.

Senzori se koriste u širokoj oblasti rešavanja analitičkih problema u medicini,

zaštiti životne sredine, proizvodnji hrane, industrijskim procesima, sigurnosnoj

zaštiti i vojnoj industriji.

Osobine koje ih čine toliko posebnim i značajnim u životu ljudi su brzina i

efikasnost.

16


Literatura:

1. Advances in Biosensors, Volume 5, Elsevier Science B.V. Chapter 1, pages 1-

36, Designing a simple biosensor, P.Shantilatha, Shailly Varma and Chanchal

K. Mitra

2. B.Eggins, Chemical sensors and biosensors,Wilay, 2006

17

ftm seminarski

Documents