Analytická chemie II podzim 2015
SENSORY Ing. Martin Kronďák, Ph.D. Mgr. Tatiana V. Šiškanová, CSc. Ústav analytické chemie
Výhody a nevýhody senzorů
+ odezva v reálném čase ≈ on-line regulace + vysoká rychlost analýzy + nízká cena senzoru a zařízení + nízká cena analýzy ≈ screening -
omezená selektivita
-
potřeba kalibrace
-
omezená dlouhodobá stabilita
Definice senzoru Chemický senzor je malé zařízení, které převádí chemický stav na elektrický signál. Göpel & spol. 1991 Chemický senzor je převodník, který poskytuje přímo informaci o chemickém složení svého okolí. Je tvořen fyzikálním převodníkem a chemicky citlivou vrstvou. Janata 1988 A device that transforms chemical information, ranging from the concentration of a specific sample component to total composition analysis, into an analytically useful signal. The chemical information, mentioned above, may originate from a chemical reaction of the analyte or from a physical property of the system investigated. Chemical sensors contain two basic functional units: a receptor and a transducer part. Some sensors may include a separator which is, for example a membrane. IUPAC Orange book 1997
Obrázek použit s laskavým svolením prof. F. Opekara
Molekulový (iontový selektor)
Princip selektivity
Semipermeabilní membrána
Permeace, P=Dk
Molekulové síto
Velikost částic
Iontoměnič, katalyzátor, sorbent
Chemická reakce, nevazebné interakce
Enzymy, protilátky
Biochemické rozpoznávací reakce
Vtištěné (imprinted) polymery
Tvar a velikost molekuly (iontu) analytu
Základní vlastnosti • Selektivita • Citlivost • Linearita • Limit detekce • Hystereze • Rychlost a doba odezvy • Dlouhodobá stabilita • Životnost • Biokompatibilita • Přesnost, Správnost, Opakovatelnost
Potenciometrické sensory Elektrody 1. druhu
V Zn vodič
Zn2+
Zn 2+ + 2e − → Zn =1 ⎛ a ( Zn ) ⎞ RT 0 ⎟ E = EZn − ln ⎜ 2+ 2+ ⎜ a ( Zn ) ⎟ F 2 Zn Ref. ⎝ ⎠
elda
E=E
0 Zn 2+
(
0, 059 log a ( Zn 2+ ) + 2 Zn
EMN = EPRAC − EREF EMN = A + B log ⎡⎣ Zn 2+ ⎤⎦
)
Potenciometrické sensory Elektrody 2. druhu Hg 2Cl2 + 2e − → 2 Hg + 2Cl − 0 E = EHg 2 Cl2
Hg
Hg
⎛ a ( Hg )2 ⋅ a ( Cl − )2 ⎞ RT ⎜ ⎟ ln − 2 F ⎜ a ( Hg 2Cl2 ) ⎟ ⎝ ⎠
0 E = EHg 2 Cl2
Hg2Cl2 (kalomel)
nasyc. KCl
=1
Hg
(
− 0, 059 log a ( Cl − )
EMN = EPRAC − EREF EMN = A − B log ⎡⎣Cl − ⎤⎦
)
Iontově-selektivní elektrody (ISE)
( − 0, 059 log ( a ( F − 0, 059 log ( a ( F
) )) ))
E1 = E f − 0, 059 log a ( Cl − ) E2 = Em E3 = Em
−
−
ED = 0
(
E5 = E f − 0, 059 log a ( Cl − )
(
EMN = E1 + E2 + E3 + ED + E5 = konst − 0, 059 log a ( F − )
)
)
Iontově-selektivní elektrody
Selectivity: How much signal does an interfering molecule cause, relative to the TARGET ANALYTE? kt,i = selectivity coefficient for specific interferent = 0 Æ ideal = 0.1 Æ moderate interference = 1.0 Æ complete interference
Skleněná elektroda • 1906 • 1929 • 1934 •
objev „selektivity“ skla (Cremer) optimalizované sklo (MacInnes a Dole) později známé jako Corning 15 první pH metr (Beckman)
(odhad 600 ks se prodá do 10 let; prodalo se jich přes 400 za první rok)
model G do 50-tých let se jich prodalo přes 126 000
Skleněná elektroda
A: Corning 015, H2SO4 B: Corning 015, HCl C: Corning 015, 1M Na+ D: Beckman-GP, 1M Na+ E: L&N Black Dot, 1M Na+ F: Beckman Type E, 1M Na+ G: Ross Electrode
Membránové iontově-selektivní elektrody Příprava membrány
Použité chemikálie: • polyvinyl chlorid (PVC; 66 hm%) • nitrofenyloktylether (NPOE; 33 hm%) • chlorid tridodecylmethylamonný (TDDMACl; 1 hm%) • tetrahydrofuran (THF)
Iontově-selektivní membrána
Komerčně nejdůležitější ISE
+
K
valinomicine, 5.0 wt. % potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, 2.0 wt. % 2-nitrophenyl octyl ether (o-NPOE), 68.0 wt. % PVC, 25.0 wt. %
Komerčně nejdůležitější ISE
+ NH4 nonactine, 5.0 wt. % potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, 2.0 wt. % sebacic acid dibutylester, 68.0 wt. % PVC, 25.0 wt. %
Komerčně nejdůležitější ISE
+
Na sodium ionophore (ETH 227), 10.0 wt. % sodium tetraphenylborate, 0.5 wt. % 2-nitrophenyl octyl ether (o-NPOE), 89.5 wt. %
Application of ion-selective electodes Analyte
Membrane composition
Application, notes
H+
glass Corning 015 (22 m% Na2O+6%CaO, 72%SiO2), lithium glass (14,3%Li2O, 7%BaO, 78,7%SiO2)
od 10-1 mol/l do 10-13 mol/l fragile
Na+
glass NAS 11-18 (11 mol % Na a 18 mol% Al)
10-1 až 10-6, keep constant pH! between 6 and 10
NH4+
Plasticized membrane, nonactine
10-1 to 10-5, blood serum analysis
K+
Plasticized membrane, valinomicine
10-1 až 10-6, blood serum analysis
Ca2+
hydrophobic ester of phosphoric acid ion-exchanger membrane (compare Ks(Ca3PO4)) or neutral ionophore
determination of free Ca2+ blood serum
NO3-
Plasticized membrane, organic nitrates
originaly by Orion Research company, high concentration of Cl- interferes, nitrate determination in agriculture
F-
LaF3 + EuF3
10-1 to 10-6, with inner electrolyte or with solid inner contact, OH- strongly interferes – use of TISAB buffer
Cl-
monocrystalic or polycrystalic AgCl
10-1 až 10-5
S2-
Ag2S in beta-modification
až 10-19 mol/l, extremely selective
Moderní potenciometrie
E. Bakker, E. Pretsch Angew. Chem., Int. Ed. 119 (2007) 5758-5767.
Aptamers are nucleic acid ligands that have been designed through an in vitro selection process called SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment).
(A) Formation of a mixed monolayer of thiolated aptamer on gold substrate; (B) thrombin addition and binding with aptamer; (C) secondary binding with CdS-labeled aptamer; (D) dissolution of CdS label followed by detection using a solid-contact Cd2+-selective microelectrode A.Numnuam, K.Y. Chumbimuni-Torres, Y. Xiang, R. Bash, P. Thavarungkul, P. Kanatharana, E. Pretsch, J. Wang, E. Bakker, Anal. Chem. 80 (2008) 707
Bioelektrody založené na skleněné elektrodě glucose oxidase H2O D-glucose + O2 D-glucono-1,5-lactone + H2O2 D-gluconate + H+ penicillinase penicillin penicilloic acid + H+ urease (pH 9.5) H2NCONH2 + 2H2O 2NH3 + HCO3- + H+ lipase neutral lipids + H2O glycerol + fatty acids + H+
Bioelektrody založené na elektrodě + citlivé na NH4 L-amino acid oxidase L-amino acid + O2 + H2O keto acid + NH4+ + H2O2 asparaginase L-asparagine + H2O L-aspartate + NH4+ urease (pH 7.5) H2NCONH2 + 2H2O + H+ 2NH4++ HCO3creatinase + creatine + H2O N-methylhydantoin + NH4
Schéma (A) potenciometrického membránového biosensoru (B) ampérometrického membránového biosensoru
František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii
Potenciometrická měření s FET Kolektor Báze
IKE
Drain Gate
ISD
UG
IB Emitor
ISFET
citlivý na ionty (Ion-selective FET)
GasFET
citlivý na plyny
ENFET
Enzyme FET
IMFET
Immuno assay FET
BioFET
Biologically active FET
Source
MĚŘENÍ PROUDU: AMPEROMETRIE
Tl+ + eTl Cd2+ + 2eCd Zn2+ + 2eZn Mn2+ + 2eMn 2H+ + 2eH2 O2 + 4H+ +4e2H2O
Komponenty ampérometrických senzorů plynných látek
Leland C. Clark * 1918 † 2005 František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii
Komponenty ampérometrických senzorů plynných látek
ELEKTROLYT
ELEKTRODA
TŘÍFÁZOVÉ ROZHRANÍ
PLYNNÁ FÁZE František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii
Ampérometrické membránové sensory s kapalným elektrolytem Pt katoda: O2 + 4H+ + 4e ' 2H2O Ag anoda: 4Ag + 4Cl– ' 4AgCl + 4eO2 + 4Ag + 4HCl ' 2H2O + 4AgCl
Obrázek použit s laskavým svolením prof. F. Opekara
Ampérometrické sensory
Biosensory založené na Clarkově čidle: sensor na glukózu
František Opekař: 13. 9. 2006 Praha, kurz Možnosti inovací v elektroanalytické chemii
Four generations of blood glucose meter, c. 1993-2005. Sample sizes vary from 30 to 0.3 μl. Test times vary from 5 seconds to 2 minutes (modern meters are typically below 15 seconds). http://en.wikipedia.org/wiki/Glucose_meter
SENSORY NA PLYNY
Figaro sensor •
•
Základní principy jsou známé ze 60. let, kdy byl vyvinut na základě sintrovaného SnO2 firmou Figaro v Japonsku senzor plynů, známý jako TGS (Taguchi Gas Sensor). Využívají pro detekci reaktivních hořlavých a výbušných plynů, ale také i jedovatých průmyslových par a plynů (H2, CH4, C3H6, CO, NOx, H2S, AsH3, SO2, NH3).
Hořlavé plyny – riziko požáru či exploze TGS813
LPG, propan, obecné hořlavé plyny
500 – 10 000 ppm
detektory úniku plynu pro domácnosti, auta, garáže, přenosné detektory
TGS842
Zemní plyn, methan
500 – 10 000 ppm
detektory úniku plynu pro domácnosti, auta, garáže, přenosné detektory
TGS821
Vodík
50 – 1 000 ppm
pro průmyslové provozy
Toxické plyny – riziko fatálních následků pro lidské zdraví TGS2442
CO
50 – 1 000 ppm
pro místa kde je riziko nedokonalého spalování
TGS826
amoniak
30 – 300 ppm
sklady ledku, výroba k. dusičné (via HabberBosch)
TGS825
sulfan
5 –100 ppm
plynárny, ČOV
TGS822
Alkoholy, toluen, xylen, obecné VOC
50 – 5000 ppm
policejní detektory, čistírny, laboratoře
TGS830, 831, 832
CFC, HCFC, HFC
100 – 3000 ppm
úniky chladiva z ledniček, provozy s CFC
TGS4160
CO2
400 – 20 000 ppm
kontrola vzduchotechniky, kontrola fermentačních procesů
TGS2106
Výfukové plyny spalovacích motorů
STK
TGS2201
Výfukové plyny spalovacích a vznětových motorů
STK
Ostatní
1 ppm je part per milion (srovnej procenta, promile a ppb (bilion je angl. miliarda!!!))
Figaro sensor na ethanol TGS2620
Figaro sensor na propan-butan TGS2610
MMOS • •
Mixed Metal Oxide Sensor Směs SnO2, WO3, Cr2TiO3
•
Vyhřívání na 100 až 500°C
Vkládá se konstantní napětí, měří se proud
A
R =U
I
⇒ I =U
R
Redukující plyn (sám se oxiduje): Oxidující plyn (sám se redukuje): A Æ A+ + eB + e- Æ B• více elektronů • méně elektronů • větší vodivost • menší vodivost • nižší odpor • vyšší odpor
Redukující plyn (sám se oxiduje): A Æ A+ + e• méně „děr“ • menší vodivost • větší odpor
Oxidující plyn (sám se redukuje): B + e- Æ B• více „děr“ • větší vodivost • menší odpor
Uspořádání sensoru: Perličkový + méně citlivý na interference + snadnější výroba Plošný - citlivý na vlhkost + rychlejší odezva
SENSORY ZALOŽENÉ NA MĚŘENÍ ZMĚN TEPLOTY
Pyroelektrické senzory
•
Nejčastější aplikace v zabezpečovací technice
•
Používají pyroelektrické materiály, které se vykazují jevem podobným piezoelektrickému, polarizaci materiálu však způsobuje teplota Typickým materiálem je LiTaO3 Touto strukturou je možné měřit změny teploty až 10-5 °C
• •
Kalorimetrické sensory: pelistory
• • •
Založeny na katalytickém spalování plynů Pro SPALITELNÉ plyny!!! Spalné teplo ohřívá měřící element, čímž se mění jeho elektrický odpor
Pelistor: pracovní režim Režim neizotermní: • teplota citlivého elementu roste v závislosti na průběhu reakce • údaj o koncentraci hořlavé látky je odvozen z nárůstu teploty senzoru • výstupní napěťový signál je úměrný koncentraci hořlavého plynu • pro vyhodnocování signálu se používá dvou metod: můstek s konstantním napájecím napětím můstek s konstantním napájecím proudem Režim izotermní: • napájení se upravuje automaticky tak, aby citlivý element měl konstantní teplotu • elektrický příkon, potřebný k udržování konstantní teploty měřicího pelistoru i v přítomnosti hořlavé látky, je pak úměrný její koncentraci
SENSORY KOLEM NÁS
Lambda sonda
• Slouží k zajištění poměru vzduchu a paliva 14,6:1, aby spalování probíhalo za stechiometrických podmínek. • Lambda sonda pracuje při teplotě 600 – 1000°C.
⎛ RT ⎞ ⎛⎜ PO2 ( ref ) E =⎜ ⎟ ln ⎝ 4 F ⎠ ⎜⎝ PO2 ( test ) Schéma článku: PO2 (ref), Pt|Y2O3-ZrO2 |Pt, PO2 (test) Elektrodové reakce: 4e- + O2(test) Æ 2O222O22- Æ 4e- + O2(ref)
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
Systémy pro klinické laboratoře
COBAS Integra 800 72 metod „on the board“ 855 testů/hod • Absorpční fotometrie: Enzymy a substráty • Turbidimetrie: Specifické proteiny, DAT • Fluorescenční polarimetrie: TDM • ISE: Na+, K+, Cl– E. Bakker et al. / Analytica Chimica Acta 393 (1999) 11-18
Analyzátory OPTI firmy ROCHE řešení kritických situací
ELEKTRONICKÉ NOSY/JAZYKY
Insent (Anritsu) SA402B 4 neselektivní potenciometrické elektrody + 1 referentní založeno na membránách s umělými lipidy • • • • •
sladké slané kyselé hořké umami
Alpha M.O.S.: Astree Jediný komerčně „dotažený“ elektronický jazyk včetně aplikačních a technických listů http://www.alpha-mos.com/
Elektronické jazyky: senzorová pole Pole senzorů – kombinace více senzorů s ODLIŠNOU selektivitou. Jednotlivé senzory nemusí být 100% selektivní. Plzeňské pivo
1
2
3
4
5
Popovické pivo
6
7
8
1
2
3
Techniky rozpoznávání vzorů • Metoda „kouknu a vidím“ • Statistické metody (LDA, PCA, PCR, PLS,...) • Metody shlukovací analýzy (KNN, ROI,...) • Neuronové sítě (FF-ANN, Kohonenovy sítě,...)
4
5
6
7
8
Techniky rozpoznávání vzorů: PCA
12 10
Senzor3
vzorek1 vzorek1 vzorek1 vzorek1 vzorek2 vzorek2 vzorek2 vzorek2 vzorek3 vzorek3 vzorek3 vzorek3 vzorek4 vzorek4 vzorek4 vzorek4 vzorekX
senzor1 senzor2 senzor3 12.0 5.1 12.0 12.1 5.0 12.1 11.8 4.8 11.8 11.9 4.9 11.9 5.1 1.0 12.0 5.0 0.9 12.1 4.8 0.8 11.8 4.9 1.1 11.9 1.0 7.0 1.0 0.9 7.1 0.9 0.8 6.9 0.8 1.1 7.0 1.1 7.0 7.0 5.1 7.1 7.1 5.0 6.9 6.9 4.8 7.0 7.0 4.9 5.0 1.0 12.0
8 6 4 2 0
0
2
4
6
Se nzo
r1
8
10
12
14
0
1
2
3
4
Se
5
o nz
6
r2
7
8
Techniky rozpoznávání vzorů: Matlab, Unscrambler, Excel, LabView, ...
PCA vzorek1 vzorek1 vzorek1 vzorek1 vzorek2 vzorek2 vzorek2 vzorek2 vzorek3 vzorek3 vzorek3 vzorek3 vzorek4 vzorek4 vzorek4 vzorek4 vzorekX
senzor1 senzor2 senzor3 12.0 5.1 12.0 12.1 5.0 12.1 11.8 4.8 11.8 11.9 4.9 11.9 5.1 1.0 12.0 5.0 0.9 12.1 4.8 0.8 11.8 4.9 1.1 11.9 1.0 7.0 1.0 0.9 7.1 0.9 0.8 6.9 0.8 1.1 7.0 1.1 7.0 7.0 5.1 7.1 7.1 5.0 6.9 6.9 4.8 7.0 7.0 4.9 5.0 1.0 12.0
vzore k1 vzore k1 vzore k1 vzore k1 vzore k2 vzore k2 vzore k2 vzore k2 vzore k3 vzore k3 vzore k3 vzore k3 vzore k4 vzore k4 vzore k4 vzore k4 vzore kX
PC_01 1.2 1.3 1.2 1.2 1.3 1.3 1.2 1.2 -2.0 -2.1 -2.1 -2.0 -0.7 -0.8 -0.8 -0.8 1.3
PC_02 1.2 1.2 1.1 1.1 -1.1 -1.2 -1.2 -1.1 -0.4 -0.4 -0.5 -0.4 0.7 0.8 0.7 0.7 1.1
PC_03 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -0.1 -0.1 0.0
Techniky rozpoznávání vzorů: 68.93% 31.02% 0.05% PC_02 1.2 1.2 1.1 1.1 -1.1 -1.2 -1.2 -1.1 -0.4 -0.4 -0.5 -0.4 0.7 0.8 0.7 0.7 1.1
PC_03 0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -0.1 -0.1 0.0
1.5 1.0 vzorek1 vzorek2 vzorek3 vzorek4 vzorekX
0.5 PC_02
vzorek1 vzorek1 vzorek1 vzorek1 vzorek2 vzorek2 vzorek2 vzorek2 vzorek3 vzorek3 vzorek3 vzorek3 vzorek4 vzorek4 vzorek4 vzorek4 vzorekX
PC_01 1.2 1.3 1.2 1.2 1.3 1.3 1.2 1.2 -2.0 -2.1 -2.1 -2.0 -0.7 -0.8 -0.8 -0.8 1.3
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -3.0
-2.0
-1.0
0.0
PC_01
1.0
2.0
Electronic Nose & Electronic Tongue User Testimonials Major companies among which ingredients producers, processed food or beverage manufacturers, that are using Alpha MOS Electronic Nose & Electronic Tongue tell about their advantages: • Flavor analysis of diet food (FOX E-Nse), Insudiet, France • Development of food ingredients (FOX E-Nose), Wild Flavors, USA • Quality of food ingredients (FOX E-Nose), CP Kelco, USA • Flavors & seasonines development (FOX E-Nose), Kvowa Hakko, Japan • Aroma quality of dairy products (FOX E-Nose), The New Zealand Dairy Research Institute, New Zealand
Products grouping based on sensory attributes (E-Nose & E-Tongue analyses)
Literatura •
Brian R. Eggins: Analytical Techniques in the Sciences: Chemical Sensors and Biosensors http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/bookhome/114189770
•
Joseph Wang: Analytical Electrochemistry (Second Edition) http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/bookhome/93513893
•
CHEMICKÉ SENSORY A BIOSENSORY prof. RNDr. František Opekar, CSc. Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, katedra analytické chemie, Albertov 2030, 128 40 Praha 2
•
ELEKTROCHEMICKÁ DETEKCE POŠKOZENÍ A HYBRIDIZACE DNA doc. RNDr. Miroslav Fojta, CSc. Biofyzikální ústav AVČR, Královopolská 135, 612 65 Brno
Zkušební otázky •
Jak funguje membránová iontově selektivní elektroda, nakreslete její schéma. Uveďte jeden příklad biosensoru, který je založen na iontově selektivní elektrodě, a stručně popište princip jeho funkce.
•
Popište princip, na kterém pracuje Clarkovo čidlo, jak jej lze modifikovat, pro jaké úlohy je vhodné.
•
Nakreslete kalibrační křivku pro dva reálné potenciometrické sensory, vyznačte detekční limity, oblast linearity, citlivost. Jak se změní kalibrační křivka v přítomnosti vysoké koncentrace interferentu?
•
Co je to selektivita senzoru, jak se uplatňuje při měření, jak ji lze zlepšit. Uveďte dva různé příklady
•
Popište koncept elektronické elektronického jazyku a nosu.
•
Nakreslete funkční schéma a popište nejdůležitější senzor používaný v moderních spalovacích motorech a jeho funkci.
•
Jak fungují senzory MMOS a jak se liší od senzorů TGS.
