Лекція 1

1. Вступ. Інструментальні методи дослідження

Інструментальні методи дослідження біологічних об’єктів. Практичні задачі дисципліни. Оптичні, електрохімічні, хроматографічні та радіобіологічні методи аналізу, їх значення в сучасній біотехнології. Принципи автоматизації і комп’ютеризації процесів аналізу та контролю. Перспективи розвитку інструментальних методів дослідження.

У зв'язку із забрудненням атмосфери й водних басейнів викидами токсичних газів і промислових стоків необхідні чутливі методи хімічного контролю ступеня очищення випускаються в ріки, озера, моря, повітря й ґрунт відходів виробництва. Розвиток промисловості важкого органічного синтезу, переробки нафти, газу, вугілля, виробництво особливо чистих речовин вимагає надійних методів аналізу сировини, напівфабрикатів і готових продуктів. Іноді не можна обійтися без прийомів дистанційного аналізу, коли необхідно аналізувати високоагресивні, космічні або підземні об'єкти. Для керування технологічними процесами потрібні експресні методи аналізу, що дозволяють контролювати хід процесу.

Класичні хімічні методи аналізу (гравіметричний і титрометричний) характеризуються низькою швидкістю й недостатньою чутливістю. Тоді як більшість інструментальних (фізичних і фізико-хімічних) методів є високочутливими й експресними. До того ж багато фізико-хімічних властивостей специфічні, що забезпечує селективність інструментальних методів. Їхнє використання дозволяє провести повну автоматизацію аналізу. Треба, однак, відзначити, що більшість інструментальних методів менш точні, чим хімічні. Уважається, що у фізичних методах аналізу безпосередньо вимірюють за допомогою приладу які-небудь фізичні параметри системи без попереднього проведення хімічної реакції (прямій інструментальний аналіз). У фізико-хімічних методах попередньо проводять хімічну реакцію або стежать за її ходом за допомогою приладу, що реєструє фізичну властивість.

Інструментальні методи класифікують у відповідності із властивостями речовин, використовуваними для вимірів. Можна виділити наступні групи інструментальних методів аналізу: 1) оптичні - засновані на вимірі оптичних властивостей речовин; 2) електрометричні (або електрохімічні)- вимірюють електричні параметри речовин; 3) резонансні - використовують явища резонансного поглинання речовиною електричного або магнітного поля; 4) радіометричні - кількість речовин вимірюють по їхній радіоактивності або за допомогою радіоактивних індикаторів; 5) термічні - вимірюють теплові ефекти, що супроводжують різні процеси; 6) хроматографічні - застосовується хроматографічний поділ у комбінації з детекторами розділених речовин; 7) мас-спектрометричні - засновані на вимірі маси іонізованих осколків молекул речовини; 8) ультразвукові - вимірюють швидкість ультразвуку в розчинах речовин і інші методи.

Новим, що інтенсивно розвивається напрямком є застосування сенсорів в аналізі. Сенсорами називають чутливі елементи невеликих розмірів, що генерують аналітичний сигнал, інтенсивність якого залежить від концентрації обумовленої речовини в об'єкті. За допомогою сенсора проводять інструментальний кількісний вимір змісту речовини, попередньо виконавши градуювання приладу за стандартами.

Сенсори є основними елементами нового покоління аналітичних приладів, що включають пристрій для уведення проби, чутливий елемент, обробку аналітичного сигналу й видачу кінцевого результату про концентрацію компонента. Для них характерні мала маса (рідко перевищуюча 200 г) і габарити приблизно 100х50х20 мм, автономний, автоматизований режим роботи й мала витрата енергії. Існує три типи сенсорів: фізичні, хімічні й біосенсори. У фізичних сенсорах не відбуваються хімічні реакції, а під впливом аналізованої речовини змінюються електричні, теплові, магнітні або спектральні характеристики.

Відмітна ознака хімічних і біосенсоров - наявність рецептора - шаруючи молекул або часток речовини, що приймають участь у хімічних, біохімічних або біологічних процесах, що протікають при контакті сенсора з обумовленим компонентом об'єкта. Іншим необхідним елементом таких сенсорів є перетворювач енергії (трансдьюсер) зазначених аналітичних процесів в електричний або світловий сигнал. Далі цей сигнал обробляється в електронному блоці й подається на дисплей.

У хімічних сенсорах роль рецептора грають різні реагенти, які змінюють оптичні, електрохімічні або інші характеристики при зміні рн розчину, взаємодії з катіонами, аніонами або молекулами газів досліджуваних середовищ.

Хімічні сенсори подають пряму інформацію про сполуку середовища без відбору проби і якої-небудь її попередньої підготовки.

Для підвищення вибірковості хімічних сенсорів перед хімічно чутливим шаром звичайно поміщають іонообмінні або інші мембрани, що селективно пропускають частки обумовленої речовини.

У біосенсорах рецепторами є ферменти, антитіла, антигени, біологічні мембрани або мікроорганізми. Основна область застосування біосенсорів - аналіз у медицині, біотехнології, хімічній, харчовій промисловості й навколишньому середовищу. Про зміст обумовленої речовини в об'єкті часто судять по концентрації продуктів біохімічної реакції, наприклад, пероксида водню, кисню й т.д. Переваги біосенсорів - висока селективність і чутливість визначень, недоліки - невисока стабільність, труднощі одержання біоорганічного матеріалу постійної сполуки.

Трансдьюсерами в біосенсорах можуть бути електрохімічні й оптичні перетворювачі, калориметричні системи.

По способі реєстрації аналітичного сигналу сенсори ділять на електричні, електрохімічні, оптичні, чутливі до зміни маси й т.д.

До електричних сенсорів відносять напівпровідникові пристрої з електронною провідністю на основі оксидів Sn, Zn, Cd, Cr, Ti, W, V, органічних напівпровідників (хелати фталоціанінів, порфіринів і інші органічні сполуки), польових транзисторів. Вимірюваними величинами є провідність, заряд, ємність, різниця потенціалів, які змінюються при адсорбції або іншому впливі обумовленої речовини. Найпоширеніші й перспективні польові транзистори; у них металевий контакт затвора (керуючого електрода) замінений хімічно чутливим шаром і електродом порівняння. Головними перевагами польових транзисторів є малі розміри ( 1-2 мм²) і маса, швидкодія й модульна технологія виготовлення.

В електрохімічних сенсорах хімічне перетворення й генерація аналітичного сигналу протікає в мініатюрному електрохімічному осередку, що виконує роль іоноселективного електрода з рідкою або твердою мембраною. Найпоширеніші потенціометрічні й амперометрічні сенсори, мембрани яких можуть містити як хімічні, так і біохімічні компоненти. За допомогою електрохімічних сенсорів визначають іонні й нейтральні сполуки органічної й неорганічної природи, а також гази й біологічно активні речовини в широкому діапазоні концентрацій ( 2-4 порядки).

Дія оптичних сенсорів (оптодів - оптичних електродів) засновано на вимірі поглинання й відбиття падаючого світлового потоку, люмінесценції або теплового ефекту, що супроводжує поглинання світла рецептором. У волоконно-оптичних сенсорах фоточутливий реагент може бути іммобілізований на поверхні волокна світловода, виготовленого із кварцу або інших видів стекол, що дозволяють працювати в УФ-, видимої й ІЧ-області спектра. Розроблені оптичні сенсори для визначення рН, іонів металів, аніонів, глюкози, сечовини, пероксида водню, газів, деяких органічних сполук в об'єктах навколишнього середовища, медицині, промисловості.

Сенсори призначені для прямого визначення конкретної речовини в заданому діапазоні концентрацій при фіксованих способах уведення проби й обробки отриманої інформації. Вони можуть входити до складу більше складних аналітичних приладів.

На основі сенсорів конструюють сенсорні аналізатори, що представляють собою батарею сенсорів, кожний з яких подає інформацію про зміст окремого компонента. Підключена до комп'ютера, така батарея забезпечує аналіз складних багатокомпонентних сумішей. Сенсорні аналізатори широко використовуються в різних галузях промисловості, енергетиці, транспорті, медицині, екології, сільському господарстві. Велике значення має своєчасне виявлення вибухових, горючих, шкідливих речовин. Сенсори дають можливість оптимізації роботи двигунів по сполуці вихлопних газів, контролюють склад багатьох органічних і неорганічних домішок у повітрі.