Применение тест-методов и сенсоров в анализе
Тест-методы и сенсоры — это группа аналитических устройств для прямого, селективного, максимально автоматизированного в случае сенсоров, а также простого и быстрого контроля или диагностики разнообразных объектов. Они не заменяют обычных методов анализа, а позволяют получать оперативные данные о состоянии объекта и принимать решение о необходимости отбора пробы и последующего лабораторного анализа.
Появление и применение в качестве инструмента химического анализа тест-методов и сенсоров связано с несколькими причинами:
Одной из основных является накопление большого количества техногенных веществ в окружающей среде, вызвавшее необходимость постоянной оценки уровня загрязненности больших территорий. Отбор огромного числа проб и их анализ в стационарных лабораториях потребовал бы резкого увеличения численности аналитиков, количества проведенных анализов и, соответственно, не всегда оправданных материальных затрат. Используя тест-методы и сенсоры, оценку содержания того или иного вещества в воздухе, воде, почве, растениях и т. д. прямо на месте может производить не только химик-аналитик, но и геолог, эколог, биолог и т. д.
Другая область применения тест-методов и сенсоров — контроль появления ядовитых или отравляющих и других опасных веществ в воздухе рабочей зоны, населенных пунктах, а также состояния среды в труднодоступных условиях, например при извержении вулканов, или в организме человека.
Тест-методы
В тест-методах используются упрощенные приемы и приспособления для быстрого обнаружения и полуколичественной оценки содержания химических веществ в различных объектах без отбора пробы, т. е. в полевых условиях. Тест-методы обычно не требуют сложного лабораторного оборудования и специального обучения персонала.
Тест-методы могут быть химическими, биохимическими и биологическими. Конструктивно они выполняются в виде индикаторных лент, полосок, трубок или специальных наборов растворов реагентов с вспомогательными приспособлениями для проведения реакций.
Химические и биохимические тест-наборы, как правило, снабжаются стандартными цветовыми шкалами, по которым оценивают приближенное содержание определяемого компонента в объекте.
Химические тест-методы используют реакции с окрашенными неорганическими или органическими реагентами, которые при контакте с определяемым компонентом изменяют цвет. Окрашенный реагент наносят на твердую матрицу, в качестве которой используют впитывающую целлюлозную бумагу, полимерные материалы или неорганические сорбенты. Закрепление реагентов на матрице может быть адсорбционным или ковалентным.
Устройства, используемые в тест-методах, несмотря на их простоту, могут обладать многофункциональным действием. Они позволяют производить предварительное разделение и концентрирование веществ, их окисление или восстановление и в связи с этим содержать несколько слоев. Измерение концентрации может проводиться сравнением полученного эффекта с приложенной шкалой, а также по длине окрашивающейся или обесцвечивающейся зоны. Контакт с анализируемым объектом осуществляется прямым опусканием РИБ (реактивная индикаторная бумага) в жидкость или прокачиванием воздуха через индикаторную трубку.
В биохимических тест-методах на матрице иммобилизируют различные ферменты, антигены или антитела.
Биотесты позволяют контролировать содержание болезнетворных микроорганизмов в природных и питьевых водах.
Тест-методы применяют для качественного и количественного экспресс-анализа природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей, воздуха и других газовых сред при оценке экологической ситуации, санитарном и технологическом контроле, медицинском обследовании. С помощью РИБ определяют ионы меди, никеля, цинка, кобальта, ртути в степени окисления 2+, железа(2+,3+) с пределами обнаружения 0,001—0,1 мг/л, ацетон, глюкозу в крови и моче, кислотность (рН) среды, формальдегид, нитраты, нитриты.
Для определения газов и отравляющих веществ чаще используют индикаторные трубки.
Наборы для тестового определения веществ выпускаются как зарубежными, так и отечественными фирмами.
Сенсоры
Сенсорами (от лат. sensus — чувство) называют чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие аналитический сигнал, интенсивность которого зависит от концентрации определяемого вещества в объекте.
Для сенсоров характерны малая масса (редко превышающая 200 г) и габариты примерно 100 х 50 х 20 мм, автономный, автоматизированный режим работы и малый расход энергии.
В отличие от тест-методов сенсоры позволяют проводить не визуальное, а инструментальное количественное измерение содержания вещества, связанное с предварительной градуировкой прибора по стандартам.
Сенсоры (сенсорные анализаторы) являются по сути дела основными элементами нового поколения аналитических приборов, включающих устройство для ввода пробы, чувствительный элемент, обработку аналитического сигнала и выдачу конечного результата о концентрации компонента.
Типы сенсоров
Существует три типа сенсоров: физические, химические и биосенсоры.
В физических сенсорах какие-либо реакции отсутствуют, а под влиянием анализируемого вещества изменяются электрические, тепловые, магнитные или спектральные характеристики.
Химические сенсоры и биосенсоры
Химический сенсор - это устройство, избирательно
реагирующее на конкретный химический объект путем
химической реакции и которое можно использовать для
качественного или количественного определения
«аналита».
Очевидно, что такое определение охватывает все сенсоры, основанные на химических реакциях, в том числе высокоспецифические и чувствительные биохимические и биологические реакции для специфического распознавания.
Результатом химической реакции является сигнал изменение цвета, флуоресценция, изменение поверхностного электрического потенциала, выделение тепла или изменение колебательной частоты кристалла. Преобразователь откликается на этот сигнал и преобразует величину сигнала в данные о количестве аналита
Типы химических сенсоров
Электрохимические
Оптические
Масс-чувствительные (основан на использовании пьезоэлектрического эффекта)
Тепло-чувствительные
Биосенсоры
Действие биосенсоров основано на важнейших химических реакциях, на реакциях, от которых, без преувеличения, зависит сама жизнь. Реакции антитело/антиген, фермент/субстрат, рецептор/гормон - все они используются для получения высокоселективных и чувствительных сенсоров на конкретные определяемые вещества.
Для объяснения принципа действия биосенсоров часто используют схему, подобную представленной на рисунке 1.1, хотя она достаточно универсальна и применима к любым типам сенсоров, в которых реагент обладает сродством к индивидуальному веществу. Для иллюстрации высокоселективных реакций, протекающих между биологическими молекулами, предложен механизм, получивший название «ключ-замок».
В биосенсорах узнающим реагентом обычно является макромолекула, иммобилизованная внутри мембраны, либо химически связанная с поверхностью, контактирующей с раствором определяемого вещества.
Между реагентом и определяемым веществом проходит специфическая химическая реакция. Это может быть либо прямое взаимодействие реагента с определяемым веществом, как в случае реакции антиген/антитело, либо каталитическое взаимодействие иммобилизованного фермента с определяемым веществом с образованием легко определяемого продукта. В качестве трансдьюсеров могут использоваться любые из упомянутых выше.
Отличительный признак химических сенсоров и биосенсоров — наличие рецептора — слоя молекул или частиц вещества, участвующего в химических, биохимических или биологических процессах, протекающих при контакте сенсора с определяемым компонентом объекта.
Другим необходимым элементом таких сенсоров является преобразователь энергии (трансдьюсер) указанных аналитических процессов в электрический или световой сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается в электронном блоке и подается на дисплей.
Химические сенсоры дают прямую информацию о составе среды без отбора пробы и ее какой-либо предварительной подготовки. Они могут работать автономно и обычно связаны с системой накопления информации и ее обработки.
Для повышения избирательности химических сенсоров перед химически чувствительным слоем обычно размещают ионообменные и иные мембраны, селективно пропускающие частицы определяемого вещества.
Биосенсоры
В биосенсорах рецепторами являются ферменты, антитела, антигены, биологические мембраны (биохимические сенсоры), или микроорганизмы (биологические сенсоры).
Основная область применения биосенсоров — анализ жидких сред в медицине, биотехнологии, химической, пищевой промышленности и окружающей среде. О содержании определяемого вещества в объекте часто судят по концентрации продуктов биохимической реакции, например пероксида водорода, кислорода и т. д. Преимуществами биосенсоров являются высокая селективность и чувствительность определений, недостатками — невысокая стабильность, трудность получения биоорганического материала постоянного состава.
Трансдьюсерами в биосенсорах могут быть электрохимические и оптические преобразователи, калориметрические системы и т. д.
Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры.
Сочетание ферментативных и электрохимических реакций позволило разработать многие биосенсоры для определения аминокислот, глюкозы, мочевины и других продуктов жизнедеятельности.
Применения биосенсоров весьма многообразны, известны биосенсоры для определения фенолов, пролина, тирозина и других аминокислот, глюкозы, молочной и аскорбиновой кислот и т. д.
Уникален экспресс-анализ качества воды и сточных вод на основании определения БПК (биологическое потребление кислорода). Традиционный метод анализа занимает несколько дней, биосенсор с иммобилизированными клетками дает те же результаты в течение нескольких минут.
Основной областью приложения биосенсоров является анализ жидких сред в медицине, пищевой и химической промышленности, биотехнологии. Применение биосенсоров в качестве биологического компонента ДНК может радикально изменить диагностику заболеваний, особенно на ранних стадиях. Интенсивно ведутся работы для ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, предрасположенности к раку и т. д.
Сенсоры предназначены для прямого определения конкретного вещества в заданном диапазоне концентраций при фиксированных способах ввода пробы и обработки полученной информации.
Сенсоры могут входить в состав более сложных аналитических приборов.
На основе сенсоров конструируют сенсорные анализаторы, представляющие собой батарею отдельных сенсоров, каждый из которых дает информацию о содержании отдельного компонента.
Подключенная к компьютеру, такая батарея обеспечивает анализ сложных многокомпонентных смесей.
Сенсорные анализаторы широко используются в различных областях промышленности, энергетике, транспорте, медицине, экологии, сельском хозяйстве. Большое значение имеет своевременное обнаружение взрывчатых, горючих, химически вредных веществ, утечки ракетного топлива и т. д.