Твердоконтактные потенциометрические сенсоры для определения ионов

(литературный обзор)

Наибольшая группа среди потенциометрических сенсоров представлена ионоселективными электродами (ИСЭ). В ИСЭ сигнал генерируется за счет возникновения заряда на границе раздела ионоселективной мембраны и раствора из-за различного распределения отличающихся ионов между этими двумя фазами. В классических ионоселективных электродах устройство симметрично, что означает, что мембрана разделяет два раствора, изучаемый раствор и внутренний раствор с постоянной концентрацией ионов. Электрический контакт в ИСЭ осуществляется благодаря вспомогательному электроду (обычно Ag/AgCl) в контакте с внутренним раствором, включающим хлорид ионы с постоянной концентрацией. Единица измерения потенциала с ИСЭ это сумма двух электродных потенциалов, потенциала мембраны, составленного граничным потенциалом на каждой поверхности раздела мембрана/раствор, и возможного диффузионного потенциал, который может возникнуть из-за градиента концентрации ионов внутри ионоселективной мембраны.

Отклик потенциометрического сенсора - это комплексное явление [5], которое зависит от массы свойств ионоселективной мембраны, таких как свойства на границе раздела фаз с обеих сторон мембраны, регулируемые составом, термодинамикой и кинетикой. Различные теоретические модели могут быть получены практически для отклика потенциометрических ионных сенсоров, но в большинстве случаев может быть успешно использовано полуэмпирическое уравнение Никольского-Эйзенмана. Мешающее действие других ионов в растворе учитывается введением соответствующего потенциометрического коэффициента селективности. ИСЭ с жидким внутренним контактом рассматриваются как асимметричные. В случае твердоконтактного электрода с полимерной мембраной промежуточный слой может быть выполнен с помощью проведения электрополимеризации полипиррола и политиофенов с электроактивными материалами со смесью электронной и ионной электропроводности. Твердоконтактные сенсоры привлекают большое внимание из-за возможности миниатюризации сенсоров и удешевления производственного процесса.

Электроды типа покрытой проволоки (ЭТПП) с полимерной мембраной в контакте с металлом являются подтипом жидкостно-контактных ИСЭ. Они основаны на блокировке между ионным проводником (мембраной) и электронным проводником и недостаточно стабильны. Даже если поверхность идеально блокирована, с отсутствием переноса заряда, переменная мешающая ёмкость будет оказывать влияние на стабильность сигнала [6].

Главная проблема жидкостно-контактных ИСЭ - это нежелательные сторонние реакции, соответствующие проникновению химических частиц сквозь полимерную мембрану. Такие параллельные реакции могут происходить с участием O₂, CO₂, H₂O, окисленных и восстановленных частиц и т.д.

Потенциометрические ионные и химические сенсоры, основанные на полевых транзисторах, являются ещё одной группой преобразователей, которая может быть легко миниатюризирована и произведена на основе микроэлектронных технологий. Среди них наиболее изучены полевые транзисторы с различными ионоселективными мембранами (часто называемые " химически чувствительные полевые транзисторы или Chem-FETs). Ионоселективные полевые транзисторы с " голым" затворным диэлектриком (оксид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия и т.д.) демонстрируют собственную рН чувствительность электрохимического равновесия между протонированной поверхностью оксида и протонами в растворе. Чтобы получить полимерную мембрану, чувствительную к другим ионам, её сочетают с ионофорами.

Светоадресуемые потенциометрические сенсоры (LAPS) и система электролит-диэлектрик-полупроводник (EIS) - это два других типа полевых преобразователей, которые используются для потенциометрических химических сенсоров. Их принцип действия практически такой же, как и у ISFET, в которых источник потока в пространстве поверхности полупроводник/изолятор зависит от входного потенциала. В LAPS происходит освещение источником света с модулированной интенсивностью, производимой переменным фототоком, который зависит от приложенного потенциала, в то время как в EIS устройствах ёмкость контролируется использованием переменно токового пробного сигнала между полупроводником и исследуемым раствором. Как и в случае ISFET сенсоров, ионоселективная мембрана различных типов может быть размещена на поверхности изолятора, чтобы обеспечить требуемую селективность. К сожалению, в обоих устройствах полный ток проходит между полупроводником и противоэлектродом, погружаемым в исследуемый раствор, вследствие чего меняется электропроводность (ионная сила) раствора и возможно изменение в устойчивости ионоселективной мембраны, влияющее на отклик сенсора. Это один из основных недостатков данного устройства.

Был разработан новый вид твердоконтактного потенциометрического сенсора, в основе которого был использован 7, 7, 8, 8-тетрацианхинодиметан или его радикальные соли.[7].

Чтобы показать отклик 7, 7, 8, 8-тетрацианхинодиметана, были применены натриевые и калиевые чувствительные мембраны. Был получен хороший наклон 59, 24 мВ/ рС, ДОК составил от 10^-6 до 10^-1 М для KCl и 58, 68 мВ/ рС, ДОК: от 10^-6 до 10^-1 М для NaCl.

Влияние межфазной пленки воды оценивали с помощью теста водного слоя, выполненной в течение потенциометрических измерений. Стабильность электрических потенциалов твердоконтактных электродов была установлена в ходе выполнения проверки текущего разворота хронопотенциометрии и также были установлены емкости электродов, которые составили для K + и Na + 132 мкФ или 154 мкФ.

Разработан новый твердоконтактный Zn²⁺ поливинилхлорид мембранный датчик с 2- (2-гидрокси-1-naphthylazo) -1, 3, 4-тиадиазола в ионофоре[8]. Для конструкции сенсора были использованы alkylmethylimidazolium хлориды, которые использовали в качестве преобразователей сред и, как липофильный ион- мембраный компонент.

Добавление ионной жидкости к мембранной фазе приводит к снижению сопротивления мембраны и позволило определить потенциал внутреннего опорного Ag / AgCl электрода.

Вес ионной жидкости в процентном соотношении 1: 30: 66: 3, соответственно, демонстрировали лучшую производительность, имеющий наклон 29, 8 мВ/ рС, в интервале концентраций 3× 10^-7- 1× 10^-1 М и предел обнаружения 6, 9× 10^-8 М. Сенсор имеет малое время отлика 5-7 сек. и имеет стабильный и воспроизводимый потенциал, который не зависит от рН в диапазоне 3.8-8.0.

Предлагаемый сенсор показал хорошую и удовлетворительную селективность по отношению к иона Zn²⁺ по сравнению с другими катионами в том числе щелочных, щелочноземельных металлов, переходных и ионов тяжелых металлов. Он был успешно применён для прямого определения ионов цинка в водопроводной воде и в качестве индикаторного электрода в потенциометрическом титровании ионовZn²⁺ с ЭДТА.

(статья139)Меркапто соединение бис [O- (N-methylidenamino-2-тиол-1, 3, 4-тиадиазол-5-ил) фенокси] этан(BMTTE)самоорганизующихся наночастиц золота, был использован в качестве модификатора для создания химически модифицированного углеродного сенсора[9]. Изготовленный сенсор дал наклон 29.3± 0, 2 мВ/рС, ДОК: от 4× 10^-9 до 2, 2× 10^-3М и с пределом обнаружения 1, 6 × 10^-9 М.

Потенциометрический отклик электрода на основе BMTTE не зависит от рН исследуемого раствора в интервале рН 4.0-9.0 и время отклика 15 сек. Предложенный твердоконтактный сенсор показывал довольно хорошую рабочую способность к иона Cu²⁺ по сравнению со многими ионами металлов. И наконец, предлагаемый электрод был успешно использован в качестве индикаторного электрода в потенциометрическом титровании ионов меди с ЭДТА и прямого определения меди (II) иона в некоторых образцах воды.

Был предложен электрод на основе комплекса 4-аминохинолина –b- лактам для исследований в вальтамперметрических и потенциометрических измерений [10].

В области потенциометрии был получен наклон 28, 9 мВ/рС, ДОК: от 1× 10^-1 до 1× 10^-7 М и предел обнаружения 8, 26× 10^-8 М. полученные данные были подтверждены в 1 Н-ЯМР и масс-спектрометрии. Развитые потенциометрические сенсоры обладали высокой селективностью и воспроизводимостью к ионам Zn²⁺.

Хромогенные, вольтамперометрические и потенциометрических сенсоры, основанные на новой ферроцене были разработаны для селективного обнаружения Cu²⁺[11].

Потенциометрический отклик был получен на графитовом электроде, модифицированном поливинилхлоридом. Полученные данные были таковы: диапазон определяемых концентраций был в области от 1× 10^-1 до 5× 10^-7 М, наклон составлял 28, 5 мВ/рС, предел обнаружения 1, 78 × 10^-7 М.

Никаких существенных помех не наблюдалось с другими различными ионов металлов. Аналитическая полезность предлагаемых сенсоров была утверждена далее в оценки ионов Cu²⁺.

В качестве химического модификатора при изготовлении углеродного сенсор был использован 2-ацетилбензимидазол бензолгидразон [12].

Диапазон определяемых концентраций от 1× 10^-7 до 1× 10^-3М, наклон 61, 2 ± 0, 5 мВ/рС, пределом обнаружения 7× 10^-7 М. Было установлено, что сенсор можно использовать в диапазоне рН 3, 5-8, 5 и обладает быстрым временем отклика 3 сек. Предложенный сенсор показал очень хорошую селективность по отношению к ионам Ag⁺.

Модифицированный электрод был успешно использован для определения содержания серебра в кремах.

Новая концепция в ионной зондировании имитируя аллостерические мембран в биологических системах было представлена и продемонстрирована с использованием фторид эффектора для определения ионов Na⁺[12].

На основе данного сенсора был получен наклон 17, 81 мВ, диапазон определяемых концентраций от 1× 10^-1 до 1× 10^-8 М и с пределом обнаружения 7, 42× 10^-7 М. Электроды обладают хорошей обратимостью и могут быть использованы в широком диапазоне рН 3, 6-9, 7.

Предлагаемый сенсор, таким образом, показал селективную проницаемость к Na ⁺, используя F - в качестве эффектора. Таким образом, предложено новое понятие привело к изготовлению бифункционального сенсора.

п

Был предложен сенсор на основе магнитного графена и 2, 2-дитиодипиридина [13].

Отличная производительность с достаточно хорошей селективностью, широкий диапазон рН 3, 0 -8, 0, быстрое время отклика 10 сек. и длительное время жизни (2 месяца).

Определен диапазон определяемых концентраций, который составляет от 1× 10^-9 до 1× 10^-3 М, наклон 17, 81 мВ/рС и предел обнаружения 2, 75 × 10^-10 М.

Самое главное, сделали большое улучшение в пределе обнаружения (2, 75 × 10^-10 М), что приводит нового рассвета в режиме реального времени обнаружения лантана (III) с использованием ионоселективных электродов.