Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
показали Винквист и другие [4], чувствительность к NH3 можно значительно
повысить за счет второго субмонослоя подходящего металлического
катализатора, например иридия или платины (рис. 27.4). Обычно в этих
исследованиях применяли иридий, поскольку он обеспечивает высокую
чувствительность к NH3 и сравнительно малую-к Н2. До настоящего времени
изучали устройства типа конденсаторов с иридиевым слоем номинальной
толщины 3 нм, напыленным с нити накала через металлический шаблон на
палладиевую Т-образную пленку (см. вставку на рис. 27.4).
Теперь будут доступны и сенсоры NH3 типа МОППТ с встроенным контролем
температуры. В отличие от водородных сенсоров наши сенсоры NH3 обычно
работают
Концентрация NH^- Ю67 %
Рис. 27.4. Отклик в установившемся состоянии немодифицированного (3) и
модифицированных 1г (1) и Pt (2) PdMOTl. На вставке изображены схемы и
поперечное сечение PdMOП-конденсатора, модифицированного тонкой пленкой
иридия.
Биосенсоры па основе полупроводниковых газовых сенсоров
429
при комнатной или слегка повышенной температуре (35 °С; при этом
предотвращается конденсация паров воды). Это значит, что биохимический
элемент биосенсора можно разместить в непосредственной близости от
детектирующего элемента. Достигнутая чувствительность составляет 1-10"4%
NH3. При низкой концентрации NH3 (^5-10~3%) отклик сенсора описывается
уравнением
AF=C2(/'NH3r, (27.2)
где С2 и а постоянные (обычно С2 =24-10~4 мВ/% и а = 0,55). Винквист и
другие [6] показали, что если 1гМОП контактирует с NH3 только очень
короткое время (А?), то при низкой концентрации NH3 (<5-10"3%)
максимальное изменение напряжения сенсора равно
AV=kPNHAt, (27.3)
где к - постоянная. Аналогичное линейное уравнение описывает и поведение
PdMOU, чувствительного к Н2. Обычно At ^ 60 с, что достаточно велико для
обеспечения надежности измерений при сохранении линейной зависимости.
27.3. Экспериментальные исследования
Если исследуемая проба представляет собой газ, то оформление эксперимента
может быть довольно простым. Оказалось, что удобнее работать в импульсном
режиме, сравнительно быстро вводя небольшие порции газа, поскольку между
низкими концентрациями газа и выходным сигналом существует линейная
зависимость (см. уравнение 27.3). Кроме того, в импульсном режиме меньше
ощущается дрейф базовой линии. Пробу газа можно вводить с помощью
регулируемого таймером миниатюрного соленоидного клапана, в нормальном
состоянии открытого для воздуха, но пропускающего пробу в течение
короткого промежутка времени, например 10 с. При непрерывном контроле
таймер может автоматически повторять эту операцию, например каждые 10
мин. Пробу удобно подавать к сенсору через клапан с помощью
перистальтического насоса со скоростью около 1 мл/мин. В силу
относительно высокой чувствительности обычно возникает необходимость в
разбавлении пробы, для чего на выходе из насоса поток пробы смешивают с
потоком воздуха или азота; поток газа-разбавителя регулируется игольчатым
вентилем или регулятором расхода, которые обеспечивают необходимую
степень разбавления. Затем разбавленный газ проходит через небольшую
проточную ячейку, в которой установлен сенсор. Газ-разбавитель, кроме
того, хорошо промывает ячейку между измерениями.
В случае водных проб сначала необходимо перевести определяемое соединение
в газовую фазу так, чтобы его концентрация в последней отражала начальную
концентрацию в жидкой фазе. Эту задачу можно решить с помощью схематично
изображенного на рис. 27.5 устройства, в котором жидкая фаза отделяется
от газовой на пористой газопроницаемой тефлоновой мембране (такие
мембраны выпускают в США под названиями Fluoropore или Millipore) с
размером пор от 0,2 до 5 мкм. При обычной скорости потока (0,5-1 мл/мин
пробы и 2,5 мл/мин воздуха или азота) достаточно мембраны площадью 1-3
см2. Проходящий через мембрану газ со скоростью 1 мл/мин поступает в
ячейку сенсора. Пробы вводят через инжекционный клапан с петлей объемом
0,5 мл. Для ввода нескольких потоков газа удобны многоканальные
перистальтические насосы (например, Miniplus Н8, Gilson, Франция). Насос
можно использовать также для разбавления или смешивания. В случае высоких
концентраций, требующих большего разбавления, можно сочетать это
устройство с описанными выше приспособлениями.
При работе с чувствительными к NH3 конденсаторами со структурой 1гМОП
430
Глава 27
Газопроницаемая мембрана
Рис. 27.5. Проточная система для определения водорода в растворах.
?иД
Бусрернош
раствор
Реакционная pd МОП ПТ колонка на ТО-18
Многоканаль- Петлевой ный насос дозатор
можно модифицировать операции, поскольку в конденсаторах сенсорная
поверхность расположена очень близко от газопроницаемой мембраны. На
таких коротких расстояниях удовлетворительный перенос газа осуществляется
за счет одной лишь диффузии, поэтому необходимость в газе-носителе
отпадает (рис. 27.6). Для подачи буферного раствора и пробы используется
перистальтический насос. Скорость подачи за мембраной (пористый тефлон
