Prezentacja programu PowerPoint

Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Uniwersytet Łódzki
ul.Tamka 12, 91-403 Łódź
Dr Paweł Krzyczmonik
Łódź, luty 2015
1
Plan wykładu
Wstęp
Sensory – podstawowe określenia
Sensor chemiczny – definicja (wg IUPAC)
Typy sensorów
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
Wiązanie hydrofobowe
Dopasowanie przestrzenne
Wstęp
Początek XX w. odkrycie szkła czułego na pH.
1908 elektroda szklana Z. Klemensiewicz
Lata trzydzieste pierwsze wysokooporowe
elektrometry do pomiaru pH.
1959 – ogniwo tlenowe Clarka.
1962- pierwsze elektrody enzymatyczne.
1966 - elektrody jonselektywne Ca2+ F- Ag+ S2- .
1975 – pierwsze miniaturowe sensory optyczne.
1977 – pierwszy raz użyto określenia biosensor.
3
Sensory – podstawowe określenia
Analit – substancja oznaczana znajdująca się w
próbce w określonym stężeniu
Matryca próbki - substancje towarzyszące
składnikowi oznaczanemu (analitowi) w próbce.
Interferent - substancje znajdujące w matrycy
próbki mające wpływ na sygnał analityczny
otrzymany daną metodą
Efekt interferencyjny (matrycowy) –
wpływ obecności interferentu na
wartość sygnału analitycznego
Efekty interferencyjne mogą być dodatnie, gdy zwiększają
sygnał analitu lub ujemne, gdy powodują jego zmniejszenie. W
przypadku oddziaływania stałej ilości interferenta na zmienne
ilości analitu, zmiany sygnału mogą mieć stałą
wielkość -efekt addytywny, lub wielkość proporcjonalną do
stężenia analitu – efekt multiplikatywny. W tym ostatnim
przypadku proporcjonalność może być złożoną funkcją
4
Sensory – podstawowe określenia
Granica oznaczalności (detection limit)– najniższe stężenie przy którym
sygnał analityczny jest mierzalny (jest wyższy niż szum). Stężenie przy
którym średnia wartość mierzonego sygnału analitycznego jest równa
wartości dwóch odchyleń standardowych.
Czułość (sensivity) – Nachylenie krzywej odpowiedzi sensora wyrażone
jako zmiana wartości sygnału na jednostkę stężenia analitu
Zakres dynamiczny (dynamic range) – zakres stężeń w których czułość
jest większa od zera
Selektywność (selectivity) – zdolność do pomiaru stężenia tylko jednego
analitu w obecności innych
Czas odpowiedzi (response time) – czas w którym wyjściowy sygnał
osiąga 63% (1/e) wartości końcowej w odpowiedzi na skokową zmianę
stężenia analitu. Używa się też wartości t95% tj. czasu odpowiedzi kiedy
sygnał osiągnie 95% wartości końcowej.
Czas życia (life time) – okres czasu poprawnie działającego sensora
(rozróżnia się okres przechowywania i okres pracy)
Specyficzność (specifity) – zdolność układu do reagowania tylko z
jednym ściśle określonym analitem, a nawet tylko z jednym wybranym
izomerem
5
Sensor chemiczny – definicja (wg IUPAC)
Sensor chemiczny to urządzenie, które przetwarza
chemiczną informację, począwszy od stężenia określonego
składnika próbki, po ogólny skład matrycy na sygnał
użyteczny analitycznie.
Sygnał analityczny
Inne określenia i
urządzenia pokrewne:
•
•
•
•
Czujnik
Detektor
Dozymetr
Aktuator
Część
przetwornikowa
Zamiana informacji
chemicznej na formę energii
Część
receptorowa
Próbka analityczna
6
Typy sensorów
• Termiczne
• Masowe
• Optyczne
• Elektrochemiczne
• Potencjometryczne
• Konduktometryczne
• Amperometryczne
• Biosensory
7
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
Wzmocnienie
Rozpoznanie
8
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
kp
X + S
XS
kl
kp
a
Kx 
 SX
kl aS  a X
dG  0  dG 0  RT ln
aSX
aS  a X
aX – aktywność analitu
aS – aktywność nieobsadzonych
centr
aSX – aktywność analitu
związanego w centrach
aST – całkowita aktywność centr
Jeśli K>104 to DG <-23 kJ mlo-1
aST  aSX  aS
aSX 
0.09
KaST a X
1  Ka X
0.08
aSX max  aST
Dla Ka X  1
Dla Ka X  1
0.07
aSX  KaST a X
0.06
Zakres dynamiczny  aSX max  aSX min
Typy oddziaływań
Wiązanie kowalencyjne
0.05
Rząd energii
[kJmol-1]
10-50
Wiązanie wodorowe
0.2-2.5
Jon-jon
2.5-2.5
Siły Londona
0.2-2.5
Jonowo indukowany dipol
Dipol-dipol
Wiązanie hydrofobowe
0.02-0.2
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
0.05
aSX min
0.1
0.15
aSX max
0.2
0.02
0.07-0.1
9
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
kp
X + S
Kx 
XS
kl
kp

kl
aSX
aS  a X
aST  aSX   aSi  as
i
a0  aSX   aSi
i
Ki 
a0  aST
aSi
aS  ai
K X a X   K i ai
i
K X a X   K i ai  1
i
K i' 
Ki
KX
ao  aST
K i' - wspólczynnik
selektywności
a X   K i' ai
i
a X   K i' ai  1 K X
aX – aktywność analitu
aS – aktywność nieobsadzonych
centr
aSX – aktywność analitu
związanego w centrach
aST – całkowita aktywność centr
ai – aktywność interferentu
aSi –aktywność interferentu
związanego w centrach
a0 – aktywność centr
obsadzonych
i
10
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
ao  aST
a X   K i' ai
i
a X   K i' ai  1 K X
i

1
a X    K i' ai 
KX
 i
ao  aST



a X  K i' a  a X  
i
K a
'
i i
i
'
i i
 K a 1 K
a0  aST K X a X
1
KX
a X   K i' ai 
i
1
KX
a0  aST
X
i
11
Wiązanie hydrofobowe (0.07-0.1 kJmol-1)
DG=H-DTS
DG>0 lub DG<0
Jeśli DG<0 i DH<0 to DS>>0
12
Dopasowanie przestrzenne
Dopasowanie geometryczne –
Średnica długość, kąt itp.
Dopasowanie chemiczne –
Zgodność odziaływania.
DG>0 - Nie
DG<0 - Tak
13
Literatura
1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, „Sensory chemiczne”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,W-wa 1999.
2. Pr. zbiorowa pod red Z.Brzózki „Miniaruryzacjia w analityce”,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa 2005
2. J. Janata, „Principles of Chemical Sensors”, Springer, wyd. 2,
2009
3. P. Gründler, “Chemical Sensors, An Introduction for Scientists
and Engineers”, Springer, 2007
4. P. N. Bartlett (ed.), “Bioelectrochemietry, fundamentals,
experimental techniques and applications”, Willey & Sons,
2008.
5. W. Szczepaniak, „Metody Instrumentalne w analizie chemicznej”,
PWN, W-wa 2010.
6. A.J.Bard, G.Inzelt, F.Scholz, Electrochemical Dictionary
Springer,2008
14
Dziękuje za uwagę
15