Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
важных факторов в реальном масштабе времени и без разрушения исследуемого
объекта, а также что измеряемые в таких системах сигналы обуславливаются
свойствами электрода, объема раствора или границы раздела фаз. Эта
концепция приводит нас к необходимости краткого обсуждения некоторых
технических аспектов измерений.
24.8, Импедансометрические системы
До сих пор мы почти не уделяли внимания техническим и инструментальным
вопросам импедансометрии, поскольку обычно пользователю достаточно знать,
что применяемые им методы вытекают непосредственно из лежащих в их основе
принципов. В ряде обзоров обсуждаются импедансные измерения в химических
[17, 21, 105, 132, 173, 176, 196, 213] (см. также приведенные выше ссылки
на работы по электрохимическим системам), а также в биологических
системах [61, 91, 100, 143, 163, 184] в диапазоне до приблизительно 30
МГц. Эта частота выбрана в качестве критерия потому, что примерно в этой
точке длина волны электромагнитного излучения приближается к размерам
измерительной системы, так что при больших частотах рассмотренное выше
описание электрической цепи перестает быть применимым и необходимо
перейти к теории поля, основанной на уравнениях Максвелла (см., например,
[24, 48, 131]). В этих условиях импеданс электродов становится
пренебрежимо малым. Представление о состоянии работ по методологии
высокочастотных измерений можно получить из статей [12, 40, 60, 77, 203,
208]; к этому вопросу мы больше не будем возвращаться.
При частотах ниже 107-108 Гц широко применяют различные мосты (рис.
24.10).Раньше использовали мосты, уравновешиваемые вручную, но
современные приборы управляются компьютерами и являются
автобалансирующимися. Для получения диэлектрических спектров очень удобны
частотные анализаторы [80, 151], хотя
Рис. 24.10. Принцип двухплечевого импедансного моста. Исследуемое
устройство (ИУ) образует одно плечо моста (7.Л), что во многом сходно с
известным мостом Уинстона, за исключением того, что источником тока
является генератор синусоидального напряжения переменной частоты, нуль-
детектор чувствителен к переменному току, а регулируемое плечо моста (Ъъ)
содержит как активное сопротивление, так и емкость. Если мост уравновешен
(т. е. в части цепи, содержащей нуль-детектор, не течет никакого тока) и
если Zj = Z2, то Z3 = Z4, поскольку в общем случае ZtZ4 = Z2Z3.
Источник переменного тока
360
Глава 24
Рис. 24.11. Управляемый компьютером диэлектрический спектрометр,
состоящий из доступных серийно выпускаемых компонентов и работающий в
диапазоне 5 Гц-13 МГц. Микрокомпьютер управляет импедапсным анализатором,
храпит данные как в ОЗУ, так и на дисках, позволяет строить разнообразные
графики (см. рис. 24.4, 24.6, 24.8, а также [94]).
они и несколько менее точны. Автор использовал систему, схематически
показанную на рис. 24.11. В этой системе с помощью векторного вольтметра
и амперметра измеряют Vm, im и 0, причем все необходимые данные могут
быть рассчитаны и выведены на дисплей. Сборка системы на основе
стандартного интерфейса IEEE-488 делает ее исключительно удобной в
обращении, причем она позволяет проводить логарифмическое сканирование по
всему диапазону со скоростью 6 с (или 20 измеряемых частот) на декаду. В
системах этого типа в каждый момент времени накладываются синусоидальные
напряжения только одной частоты, и поэтому такие методы называют
частотными.
В системах рассмотренного выше типа обычно проводят двухэлектродные
измерения. Это, однако, означает, что всегда измеряется импеданс
исследуемого образца плюс электроды. Последние же, особенно при низких
частотах и высокой проводимости, могут давать основной вклад в результаты
измерений, что не представляет научного или практического интереса. В
таких случаях более эффективны четырехэлектродные методы (рис. 24.12), в
которых в принципе исключаются проблемы поляризации [152, 184-186, 192],
хотя и необходим тщательный анализ точного расположения силовых линий
электрического поля [182, 192]. В таких случаях постоянная ячейки
определяется положением электродов, к которым подводится напряжение от
внешнего источника
Источник така.
"О
Рис. 24.12. Принцип четырехэлектродного метода измерения низкочастотного
импеданса в объеме раствора с минимальными помехами от импеданса границ
раздела электрод -электролит. Ток, генерируемый источником переменного
тока, проходит через два "токовых" электрода (Ij и \2.) и измеряется
амперметром. Падение напряжения на соответствующем участке системы
измеряют с помощью двух "улавливающих" электродов (V[ иУ2), связанных с
вольтметром с высокоимпедансным входом. Током через измерительные
электроды можно пренебречь, и поэтому их поляризация не оказывает влияния
на измеряемый импеданс [72, 192].
Спектроскопия электрического адмиттанса
361
[212]. Поляризацию электродов обычно минимизируют, используя электроды,
покрытые платиновой чернью (см., например, [184]). Такие электроды
