Сенсоры в аналитической химии

О.М. Петрухин, О.О. Максименко

Химическая сенсорика представляет собой самостоятельную область современной аналитической химии. В Германии и Японии изданы многотомные энциклопедии, посвященные сенсорам. В Германии сразу после издания девятитомной энциклопедии [1] стал издаваться ежегодник [2], в котором приводятся дополнения в США; очередная энциклопедия по сенсорам — в процессе издания. Можно сказать, что химическая сенсорика вполне сложилась и продолжает интенсивно развиваться. Именно здесь осваиваются новые идеи и новые материалы.

Химический сенсор — это портативное устройство для избирательного и, как правило, непрерывного (обратимого), в режиме реального времени определения концентрации вещества в одну стадию, чаще всего минуя какую-либо предварительную пробоподготовку. Методика определения «зашита» в это устройство и не меняется. Устройство можно выпускать в относительно больших масштабах [3].

В состав сенсора входит чувствительный элемент, «узнающий» определяемый аналит, и преобразователь аналитического сигнала, переводящий характерный признак химической или биохимической реакции в физический параметр. Объединение чувствительного элемента и преобразователя в единое аналитическое устройство — сенсор не является формальной процедурой, это принципиально новый подход к практике анализа. Одно из основных достоинств сенсора — возможность его применения вне лаборатории, в полевых условиях без использования сложного оборудования.

Ниже дано краткое представление химических и биохимических сенсоров, которым посвящаются отдельные статьи в этом выпуске журнала.

Оптические сенсоры Первые массовые чувствительные элементы были основаны на оптических методах анализа. Они использовались в тест-методах [4—6], которые осуществляют визуальный твердофазный молекулярно-абсорбционный анализ. В этом случае фотометрический реагент предварительно наносят на полоску бумаги или на другой твердый носитель. Одной из первых, если не первой химической фирмой, которая взялась обеспечить это направление, была фирма «Merk». В данном выпуске журнале оптические химические сенсоры представлены в обзоре С.Б. Саввина, В.В. Кузнецова, С.В. Шереметьева, А.В. Михайловой (ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН, РХТУ им. Д.И. Менделеева).

Основываясь на принципе молекулярно-абсорбционного анализа, развивалась и клиническая аналитическая химия. Первоначально для определения различных значимых для медика соединений использовались аналитические реакции в растворах [7]. В дальнейшем развитие клинической аналитической химии пошло по пути реализации методов твердофазного анализа и разработки компактных устройств для определения тех или иных биологически активных соединений и диагностики заболеваний.

Для обеспечения надежного функционирования оптических сенсоров чрезвычайно важной остается проблема избирательности аналитических реакций. Использование в качестве аналитических реагентов антител и ДНК расширяет наши представления о природе избирательности химических реакций.

Масс-чувствительные сенсоры В масс-чувствительных, или гравиметрических, сенсорах в качестве преобразователя используются пьезокристаллы (пьезокварц) [8]. Изменение массы пьезокристалла в результате селективной сорбции определяемого вещества на полимерной пленке, нанесенной на его поверхность или на привитом к поверхности слое рецепторных молекул, приводит к изменению частоты колебаний пьезокристалла. Этот принцип анализа — пьезокристаллическое микровзвешивание — был предложен в шестидесятых годах прошлого столетия.

Довольно широкое развитие получили газовые сенсоры, в которых определяемые вещества сорбируются из газовой среды на чувствительных полимерных пленках на поверхности пьезокристалла. Для анализа водных растворов применяются пьезокристаллы, на поверхность которых наносится рецепторное покрытие. Примеры использования метода пьезокристаллического микровзвешивания в аналитической химии можно найти в сборнике работ, представленных на международной конференции, посвященной мультисенсорным системам [9].

Большими возможностями обладают пьезокристаллические иммуносенсоры с иммобилизованными на поверхности пьезокристалла биохимическими реагентами — антителами или антигенами. Иммуносенсоры могут быть использованы для определения пестицидов, лекарственных и наркотических средств, вирусов. В данном выпуске журнала пьезокварцевые биосенсоры рассматриваются в статье Т.Н. Ермолаевой, Е.Н. Калмыковой, О.Ю. Шашкановой (Липецкий государственный технический университет).

Электрохимические сенсоры Создание стеклянного рН-чувствительного электрода часто отмечают как «рождение» химических сенсоров. Но как бы то ни было, рН-электрод — один из наиболее распространенных электрохимических ионоселективных электродов и ионоселективных полевых транзисторов. В качестве чувствительных элементов в этих сенсорах чаще всего применяются твердые электролиты и полупроводники, например фторид лантана и иодид серебра, а также высокотемпературный твердый электролит диоксид циркония. К этому же типу чувствительных элементов относятся специальные стекла. Еще одну группу чувствительных элементов представляют твердые электроды с ковалентно привитыми комплексообразующими и ионообменными группировками. Большую группу чувствительных элементов составляют ионочувствительные электрохимические мембраны, которые представляют собой раствор ионофоров или ионообменников в гидрофобном растворителе или в полимере с температу