Capitolul 5d

8/13/2019 Capitolul 5d

http://slidepdf.com/reader/full/capitolul-5d 1/31

5.5.3. Senzori electrochimici

5.5.3.1. Introducere

Obiectivul chimiei analitice constă caracterizarea şi controlulsubstanţelor. Prin caracterizare se înţelege obţinerea şi prelucrarea tuturorinformaţiilor care permit identificarea substanţelor (informatii analitice),controlul, monitorizarea constnd în urmărirea în timp a acestora. !nformaţiilese obţin prin analiza comple"ă a substanţelor de studiat (sistemul analitic).

#in punct de vedere operaţional o analiză completă implică

următoarele etape$a) Excitarea sistemului ,constă în perturbarea stării de echilibru iniţialal sistemului, prin aplicarea unui semnal de intrare. %emnalul de intrarepoate fi de natură chimică (reactiv analitic) sau fizică (curent, potenţial deelectrod, radiaţie electromagnetică etc.).

b) Observarea şi măsurarea semnalului de ieşire al sistemului.&onsiderat drept răspuns al sistemului, semnalul de ieşire reprezintătotalitatea fenomenelor care se produc în sistem sub acţiunea semnalului deintrare, inclusiv modificările acestuia din urmă.

'n general, un semnal de intrare generează mai multe semnale deieşire. Pentru măsurători cantitative se alege acel semnal, care este

purtătorul unei densităţi ma"ime de informaţie analitică, adică$ prezintăselectivitate şi sensibilitate ma"ime, se poate măsura cu precizie mare şi i secunoaşte interpretarea teoretică. %emnalele de ieşire care îndepinesc acestecondiţii se numesc semnale analitice, semnale utile sau în mod mai simplu,semnale.

estul semnalelor sunt semnale parazitare formnd zgomotul de fondal sistemului.

ăspunsul unui sistem nu are totdeauna caracter de semnal, cuparametrii calitativi şi cantitativi bine determinaţi. 'n acest caz răspunsultrebui transformat întrun asemenea semnal cu a*utorul traductorilor sausenzorilor.

Senzorii sunt dispozitive care sesizează variaţia unor parametrii dinsistem prin emiterea de semnale corespunzătoare, corelate cu mărimeaparametrului respectiv. %enzorii se mai numesc şi traductori, după functia lorde a transforma anumitii parametrii ai sistemului în marimi de altă natură.Parametrul de transformat formează semnalul de intrare al traductorului, iarcel transformat, semnal de ieşire.

%enzorii care emit un semnal corelat cu concentraţia unei specii dinsistem se numesc senzori (traductori ) chimici, sau analitici. #acă semnalul deieşire al unui traductor analitic este de natură electrică, dispozitivul respectivse numeşte traductor electrochimic sau senzor electrochimic.

250



5.5.3.2. Senzori electrochimici

+cest tip de senzori sunt deci traductori care transformă parametrulconcentraţie întro mărime de natură electrică$ curent, potenţial de electrod,rezistenţă, conductivitate, impedanţă etc (fig..-).

i,/,etc. semnalul de ieşire

electrod

concentraţie

semnalul de

intrare

Fig.5.38. %chema unui senzor

'n funcţie de natura semnalului de ieşire se deosebesc trei maricategorii de senzori electrochimici$

+. Senzori potenţiometrici . +ceştia sunt traductori concentraţiepotenţial, care în condiţii bine determinate dezvoltă un potenţial reversibildeterminat de o anumită specie prezentă în sistem.

0. Senzori amperometrici . %unt traductori concentraţie curent.%emnalul de ieşire curentul este determinat de natura şi concentraţiaspeciei electroactive, de forma semnalului de e"citaţie şi de modul de

transport al materiei spre electrod.&. Senzori conductometrici. +ceştia sunt traductori de concentraţie conductivitate

Caracteristicile senzorilor electrochimici

a) unctia de transfer . /ste caracteristica cea mai importantă a unuisenzor. /a reprezintă e"presia relaţiei dintre semnalul de intrare(concentraţia unei specii din probă) şi cel de ieşire al senzorului. 'n generalfuncţia de transfer a unui senzor electrochimic este ecuaţia lui 1ernst sau!l2ovic.

&erinţa de bază a unei funcţii de transfer este ca aceasta să fiecunoscută sub forma unei e"presii matematice e"acte care să aibă ointerpretare teoretică şi să reflecte o sensibilitate ct mai mare a senzorului(pantă mare acurbei de etalonare). O relaţie lineară prezintă o serie deavanta*e practice3

b) Selectivitatea (specificitatea) definită prin raportul semnal4 fond, săfie ct mai mare.!n principiu, selectivitatea se poate mări pe două căi $

5) prin eliminarea sursei de zgomot,6) prin mărirea specificităţii senzorului3c) Stabilitate mare, a semnalului, în timp3

251



d) Sensibilitatea, e"primată prin derivata funcţiei de transfer, să fie ctmai mare. /a determină concentraţia minimă pe care senzorul o poate

semnala (limita de detecţie)3e) !impul de răspuns. /ste decala*ul între variaţia semnalului deintrare şi variaţia corespunzătoare a semnalului de iesire a senzorului. /stede dorit ca timpul de răspuns să fie ct mai scurt posibil3

f) "radul de participare al senzorului, adică interacţiunea senzorului cusistemul studiat să fie ct mai redusă. /ste avanta*os ca senzorul săfuncţioneze ct mai reversibil3

g) Siguranţa #n exploatare.h) Economicitate.

%enzorii electrochimici sunt utilizaţi în monta*e clasice cum este cel din

figura .-7. #e obicei un circuit electrochimic conţine o celulă electrochimicăcu soluţia de analizat, electrozii, precum şi piese au"iliare$ tubul pentruintroducerea gazului inert, sistemul de agitare etc. /lectrozii sunt conectaţi întrun circuit de polarizare şi de măsurare constnd dintro sursă de curent,stabilizator de tensiune sau de curent, instrument de măsurare sau de înregistrare.

&elula conţine trei electrozi şi anume$a) Electrodul de lucru sau indicator $E % ), senzorul electrochimic

propiruzis. Pe acest electrod au loc procesele de electrod care furnizeazăinformaţiile analitice. #e obicei electrodul de lucru are o suprafaţă relativ

mică în raport cu suprafaţa electrodului au"iliar, iar rezistenţa circuitului estenegli*abilă.b) Electrodul auxiliar $E & ) sau contraelectrodul are rolul de a mi*loci

trecerea curentului prin circuit. /lectrodul de lucru respectiv au"iliar sunt anodul respectiv catodulcelulei.

c) Electrodul de referinţă $E ' ) serveşte la controlul potenţialuluielectrodului de lucru.

Fig. 5.39.

%chema generală a unui circuit de electroliză5 celula electrolitică36 circuit de polarizare3- aparat pentru măsurarea curentului38 sursă de curent3 electrod de lucru39 electrod au"iliar3: electrod de referinţă3 aparat pentru măsurarea

potenţialului de electrod3

252



8

6

1 -O

, 9

:

.

O

#acă se aplică cu a*utorul generatorului de curent, diferenţe depotenţial între electrodul indicator şi electrodul au"iliar, celula va fi străbătutăde intensităţi de curent, i. !ntensitatea curentului de electroliză, i, esteproporţională cu numărul de electroni schimbaţi în unitatea de timp în reacţiaelectrochimică pe electrod.

eacţia pe electrod este un proces comple" care are următoareleetape$ transportul reactanţilor spre suprafaţa electrodului3 stabilireaechilibrului de adsorbţie pe suprafaţa electrodului3 traversarea de sarcinăprin interfaţă (etapă obligatorie)3 desorbţia produşilor de reacţie şi transportulacestora în masa de soluţie. eacţia de electrod poate fi cuplată cu reacţiichimice.

%tabilirea mecanismului detaliat al unui proces electrochimic constă înidentificarea tuturor, respectiv stabilirea etapei celei mai lente, determinantede viteză.

'n esenţă, intensitatea de curent, i, este o măsură a vitezei cu care areloc reacţia electrochimică considerată.

&a atare, rezultă că reprezentnd grafic variaţia intensitătii i în funcţiede potenţialul de electrod, ε, curba i ; ϕ (ε) care se obţine va permite să seprevadă variaţia vitezei reacţiei electrochimice pentru fiecare valoare apotenţialului de electrod.

Senzori potenţiometrici

%enzorii potenţiometrici sunt traductori concentraţie potenţial, asacum sa mai precizat, care în condiţii bine determinate dezvoltă un potenţialreversibil determinat de o anumită specie prezentă în sistem. #acă curentuleste zero, semnalul de iesire depinde doar de compoziţia mediului cu caresenzorul este în contact (statopotenţiometrie). 'n cazul în care senzorul estetraversat de un curent (i ≠ <), semnalul de ieşire depinde de tensiuneaaplicată, precum şi de modul de transport al materiei (metodă potenţiometricăcu electrozi polarizaţi).

&el mai des, în determinările analitice, se folosesc metodelepotenţiometrice la curent nul.

253



6 +u ? +u-? ; +u? &u ? &u6? ; 6&u?

au valori relativ mici$ 5<5<

respectiv 5<9

.

#ezavanta*ele acestor senzori sunt$ interacţiunea metalului cu moleculele solventului3 acţiunea o"igenului, a dio"idului de carbon sau a altor gaze dizolvate în

soluţie care conduc la alterarea suprafeţei electrodului3 capacitatea metalelor de a e"ista în trepte de valenţă diferite3 psibilitatea apariţiei reacţiilor secundare.

Electrozi de specia a **-a/lectrozii de specia a !!a sunt reversibili în raport cu anionul unei sări

greu solubile. +ceştia sunt formaţi dintrun metal în contact cu o sare greu

solubilă a metalului respectiv şi cu soluţia acestei sări. +ceşti electrozi sunt utilizaţi att ca elctrozi de referinţă ct şi caelectrozi indicatori.

Pentru a fi folosiţi drept electrozi de referintă, aceştia trebuie să îndeplinească anumite criterii , dintre care cele mai importante sunt $ . /lectrodul trebuie să fie uşor de preparat, din materiale accesibile3 /. Crebuie să se obţină rapid un potenţial precis şi reproductibil3 0. Potenţialul electrodului trebuie să rămnă constant dea lungul unei

lungi perioade de timp3 1. /lectrodul nu trebuie să prezinte fenomenul de histerezis termal3 2. =odificarea potenţialului electrodului pentru schimbarea

temperaturiicu un grad, trebuie să fie cunoscută şi reproductibilă3 3. /lectrodul trebuie să aibă o polarizabilitate scăzută, adică să fie

capabil să suporte, pentru perioade scurte de timp, trecerea uneimici cantităţi de curent fără ca să îşi modifice potenţialul.

&ea mai largă utilizare o au electrozii de argint-clorură de argint şimercur-clorură mercuroasă (Cabelul .6).

'aell 5.&. *oten+ialele electrozilor de reerint-1r.crt

lectrodl /ondi+ii *oten+iall a+- de01 la &5o/ (2ol+i)

5 +rgint clorură deargint E &l (sat.)5,< = E &l<,5< = E &l

?<,577?<,6-:?<,67<

6 =ercur clorurămercuroasă

E &l (sat.)5,< = E &l<,5< = E &l

?<,6856?<,6<5?<,---:

Electrodul de argint-clorură de argint poate fi scris schematic subforma $

+g 3 +g&l I &!

255



eacţia electrochimcă care are loc pe acest electrod este$

+g(s) ? &l

; +g&l(s) ? e

(.5<5)

şi deci potenţialul de electrod va fi dependent de activitatea ionilor de clor,conform relaţiei $

ε ; εo +g3 +g&l C4BD ln a& l

(.5<6)

Potenţialul standard εo +g3 +g&l a fost măsurat cu a*utorul celulei fără

transport $

Pt 3 A6 l A? , &l l +g&l 3 +gşi are valoarea de <.666-8 F, la 6 o&.

Electrodul de mercur - clorură mercuroasă (electrodul decalomel )

+cesta este electrodul de referintă cel mai des utilizat în măsurătorilepotenţiometrice curente.

%chematic electrodul de calomel se scrie $

Ag 3 Ag6 &l6 l &l (.5<-)iar e"presia potenţialului său de electrod este$

ε ; εo Ag 3 Ag6 &l6 C4B D ln a& l (.5<8)

#acă solutia internă este saturată cu E&l, electrodul poartă denumireade electrod de calomel saturat (/&%). #eoarece potenţialul electrodului estedeterminat de concentraţia ionului de clor el poate fi utilizat şi la alteconcentraţii de E &l (Cabelul .6). !ndiferent de concentraţia de E &l utilizată,soluţia este întotdeauna saturată cu Ag6 &l6

Electrozi reersi!ili "n raport cu ligandul unui comple# sta!il.Electrozi metal - comple#.

+cest tip de electrod, realizat pentru prima dată la noi în ţară, esteformat dintr un metal =z? în contact cu o soluţie ce conţine att ionii acestuimetal ct şi un ligand +b, a unui comple" stabil. %emicelula se poatereprezenta astfel $

= l = z? , +b (.5<)

#acă ligandul +b reacţionează cu ionul =z? pentru a forma comple"ul=+n

(nbz), se poate scrie echilibrul de formare al acestui comple" $

256



= z? ? n+b ; =+n(nbz)

Potenţialul electrodului va fi $

ε ; εo = z? ? C4zB ln G= z?H (.5<9)

Iinnd seama de e"presia constantei de stabilitate a comple"ului =+n(nb

z)

βn ; G =+n(nbz) H 4 J G = z? H D G+bH n K (.5<:)

şi în condiţiile în care comple"ul este suficient de stabil, adică raportul G = z? H 4 G +b H n L5<8 , iar concentraţia ionului = z? rămne constantă, relaţia(.5<9) devine $

ε ; εo = z? ? C4zB ln G =+n(nbz) H C4zB ln βn nC4zB lnG+bH

ε ; εo=+n(nbz) nC4zB lnG+bH (.5<)

+cest electrod este deci reversibil în raport cu ligandul +b şi estedenumit electrod metal complex . /l poate fi reprezentat schematic prin $

= ! =+n(nbz) , +b (.5<7)

=enţinnd constantă concentraţia ligandului liber şi la o valoaresuficient de mare în raport cu concentraţia ionului metalic, acest tip deelectrod poate fi utilizat pentru determinarea analitică a concentratieiligandului cu a*utorul celulei$

= I =+n(nbz) , +b ll E &l ,Ag6 &l63 Ag (.55<)

(sat.)=etalul electrodic putnd fi diferit, iar rolul ligandului putnd fi luat de

diferiţi anioni şi molecule neutre, diversitatea electrozilor metalcomple" estefoarte mare. #eosebit de important este faptul că se pot obtine pe aceastăcale electrozi reversibili în raport cu molecule neutre.

E%E!'O* 4E(!'5 *O(5% 6E 7*6'O"E(

Electrodul normal de hidrogen/lectrodul de hidrogen este descris cel mai bine ca un electrod de

o"idoreducere, la care echilibrul este stabilit între electronii de pe un metalnobil, de obicei platin sau paladiu, ionii de hidrogen din soluţie şi hidrogenulmolecular dizolvat. +ctivitatea hidrogenului este menţinută constantă prinmenţinerea echilibrului cu a*utorul unei presiuni parţiale de hidrogencunoscută, determinată e"perimental.

257



'n afară de faptul că răspunde la activitatea ionilor de hidrogen,electrodul de hidrogen este adoptat, în mod universal, ca standard primar cu

care sunt comparaţi toti ceilalti electrozi. +cest electrod are un înalt grad dereproductibilitate./"presiile pentru semicelulă, reacţie de electrod şi pentru potenţialul

de electrod sunt$

Pt 3 A6 l A? (.555)

A? ? e ;; 546 A6 (g) (5atm) (.556)

εA ; εoA ? C4B D ln aA? 4 pA6

546 (.55-) în care pA6

reprezintă presiunea partială a hidrogenului.

'n condiţii standard$ pA6 ; 5atm, εoA este considerat potenţialul

standard al electrodului de hidrogen. 'n condiţii standard, electrodul de hidrogen este scris schematic $

Pt 3 A6 (5atm) l A? ( aA? ; 5) (.558)

Prin convencţie εoA ; <, iar relaţia (.55-) devine $

εA ; C4B D ln aA? (.55)

#ependenţa potenţialului unui electrod de hidrogen de concentraţiaionilor de hidrogen din soluţie reprezentată grafic în coordonatesemilogaritmice εApA este o dreaptă cu panta$

∆εA 4 ∆pA ; 6.-<69 C 4 B (.559)

Cermenul ∆εA 4 ∆pA se numeşte sensibilitatea electrodului de hidrogensau răspunsul teoretic la p7 . +cesta are valoarea <.<759 F la 6o&.ăspunsul la pA al electrodului de hidrogen observată e"perimental areaceeaşi valoare cu cel teoretic în toată gama de pA.

elaţia (.55-) poate fi scrisă $

εA ; <.<759 pA (.55:)care arată că potenţialul devine mai negativ cnd pA ul soluţiei

creşte.

#acă electrodul de hidrogen este folosit ca electrod indicator, împreună cu el se utilizează un electrod de referinţă ca de e"empluelectrodul de calomel saturat. /"presile pentru întreaga celulă şi pentrupotenţialul său sunt următoarele $

258



Pt 3 A6 (5atm) I A? ( necunoscut) ll E &l ,Ag6 &l6 l Ag (.55) (sat.)

ε celula ; ε/&% ? εM (εoA ? <.<759 lgaA? 4 pA6546 ) (.557)

#eoarece εoA ; <, pA6 ; 5 şi ε/&% ? εM ; 2 (potentialul de legătură),

e"presia (.557) se scrie $

ε celula ; 2 ?<.<759 pA (.56<)

pA ; ε celula 2 4<.<759 (.565)

Principalele avanta*e ale electrodului de hidrogen constau în faptul că$

poate fi folosit pe întreg domeniul de pA3 este lipsit de erori datorate sărurilor3 are o precizie ridicată3 prezintă rezistenţă internă scăzută3 erorile datorate pierderilor electrice sunt negli*abile.Principalul său dezavanta* este că, în multe situaţii practice, este mai

greu de utilizat în comparaţie cu alţi electrozi de pA (electrodul de sticlă).Principalele sale utilizări sunt$ controlul preciziei şi stabilitătii solutiilor tampon de referinţă3 determinarea erorilor cauzate de 1a? în electrozii de sticlă3 controlul preciziei altor electrozi folosiţi la determinarea pA ului 3

standard primar pentru măsurătorile de pA.

$lte semicelule

'n vederea indicării şi determinării ionului de hidroniu pot fi utilizatealte două semicelule$ electrodul de chinhidronă şi electrodul de antimoniu.

Eelctrodul de chinhidronă&hinhidrona este o specie moleculară compusă dintr o p chinonă

(N) şi o p hidrochinonă (A6N) legate printr o legătură de hidrogen

O..........AO !! !

!! ! O.........AO

N A6N

259



%emicelula de chinhidronă este data de reacţia $

N ? 6A-O? ?6e ; A6N ? 6A6O (.566)

#acă în soluţia de chinhidronă se introduce un electrod inert (platinăsau aur), acesta va indica un potenţial corespunzător ecuatiei $

ε ; εo ? C46BDln aA? 4 aN6 (.56-)

/chilibrul (.566), deci şi valoarea potenţialului, ε, sunt influenţate deechilibrele competitive $

A6N ? A6O ; AN ? A-O?

AN ? A6O; N6 ? A-O? (.568)

#acă în e"presia potenţialului de electrod (.56-) se e"primaactivitatea anionului N6 în funcţie de constantele echilibrelor (.568)$

aN6 ;G E5 E6 4 (a6

A? ? E5 aA? ? E5 E6 ) HD a A6N ,

se obţine $ε ; εo ? C46BDln aN 4 aA6N (E5 E6 4 (a6

A? ? E5 aA? ? E5 E6 )5)sau

ε ; εo C46BDlnE5 E6 C46BDln m A6N χ A6N 4 mN χ N ? ? C46B (a6

A? ? E5 aA? ? E5 E6 ) (.56)

'n relatia (.56) primii doi termeni sunt constanţi. #eoarecesolubilitatea chinhidronei este foarte mică (<.<5 mol4dm- la 6o&), raportulactivităţilor aA6N4 aN poate fi considerat egal cu raportul concentraţiilormA6N4mN şi cum în chinhidronă mA6N ; mN, termenul al treilea al relaţiei(.56) , poate fi considerat negli*abil. Cermenii C4 6B D ln E 5 E6 şi C4 6BDlnE5 aA? sunt foarte mici şi pot fi considerate de asemenea negli*abile.

'n final e"presia potenţialului electrodului de chinhidronă poate fi

scrisă$ε ; εo

NDA6N ? C4BDln aA? (.569)

ăspunsul la pA al electrodului de chinhidronă este egal cu <.<7 F la6o&. /lectrodul de chinhidronă se comportă deci ca un electrod de hidrogenavnd evident un potenţial standard diferit.

Falorile potenţialului standard al electrodului de chinhidronă indicate în literatură sunt cuprinse între <.97776 şi <.97795F.

&nd este utilizată împreuna cu /&%, celula şi potenţialul său pot fiscrise astfel $

260



Pt l A6N(sat ) , N(sat) , A-O?(nec) ll E &l ,Ag6 &l6 l Ag (.56:)

(sat.)

ε celula ; ε/&% ? εM (εoN , A6N <.<75946 lga A6N 4(aN Da A-O? )) (.56)

şipA ; ε celula 2 4<.<759 (.567)

#ezavanta*ele principale ale acestui electrod sunt că$ #acă concentratia ionilor de hidrogen în solutia de analizat este mai

mică de 5< 5<7 molDdm- (pA L 7), disocierea hidrochinonei devineapreciabilă şi deci raportul aA6N4 aN va fi diferit de unitate. /cuaţiapotenţialului va conduce, în aceste condiţii, la rezultate eronate. +ceastaeroare se numeşte eroare alcalină.

'n soluţii cu tărie ionică mare coeficientii de activitate variază în moddeosebit şi deci raportul activităţilor aA6N4 aN va fi diferit de unitate. +cest faptintroduce în măsurătorile potenţiometrice cu electrodul de chinhidronă,eroarea salină.

1u poate fi utilizat pentru monitorizarea soluţiilor care curg.

&u toate acestea electrodul de chinhidronă are următoarele avanta*e$ reproductibilitate bună3 rapiditate la atingerea echilibrului3

lipsa vreunei corectii de presiune3 rezistentă electrică mică3 functionează normal în prezenţa unor substante organice care se

reduc pe electrodul de hidrogen ca acizii$ acrilic, crotonic, fumaric,maleic, fenilpropionic3

lipsa erorilor datorate sărurilor.

/lectrodul de chinhidronă se foloseşte în special în solvenţi neapoşi.

Electrodul de antimoniu

/lectrodul de antimoniu este realizat dintr o bară de antimoniuelectrolitic de înaltă puritate, a cărei suprafaţă este acoperită cu un film foartesubţire de o"id. %emicelula astfel construită este $

%b6O- (s) ? 9A-O? ? 9e ;; 6%b(s) ?7A6O (.5-<)

în care %b6O- şi %b sunt în stare solidă deci activitatea lor este egalăcu unitatea. Pentru soluţii diluate apoase activitatea apei este de asemeneaegală cu unitatea.

Potenţialul elctrodului de antimoniu se e"primă prin$

261



ε %b6O- ; ? C4BDln aA? (.5-5)

#acă se utilizează în combinaţie cu un electrod de referinţă, ca /&%,celula şi potenţialul său sunt date de următoarele e"presii$

%b(s) , %b6O- (s) , A-O?(nec) ll E &l ,Ag6 &l6 l Ag (.5-6)

(sat.)

ε celula ; ε/&% ? εM (εo %b6O-, %b <.<7 4 9Dlg5 4(a A-O? )9) (.5--)

decipA ; ε celula 2 4<.<759 (.5-8)

+vanta*ele acestui electrod sunt $ nu este fragil3 are o rezistenţă scăzută3 poate fi adaptat la măsurări continue, monitorizare3 poate fi utilizat în soluţii tulburi şi viscoase.

#ezavanta*ele sunt $ are o eroare mare (apro". ±<.6 unităti de pA)3 prezintă erori datorită sărurilor3 este necesară o standardizare pentru fiecare aplicaţie specifică3

agenţii o"idanţi şi reducători provoacă interferenţe3.electrodul este ditrus prin contaminare cu cantităţi mici (urme ) dinalte metale ca argintul sau cuprul situate sub antimoniu în seria

t.e.m3 agenţii de comple"are din soluţie formează iterferenţi3 datorită proprietăţilor sale amfotere, electrodul se poate utiliza numai în domeniul de pA de la 5 la 5<.

/lectrodul de antimoniu a fost perfecţionat prin transformarea sa într un microelectrod prin depunerea în vid a unui film de antimoniu foarte pur.Baţă de electrodul de antimoniu convencţional, electrodul de antimoniu

miniaturizat are proprietăti superioare. +cest tip de electrod este foarte folositpentru înregistrările de pA necesare în studiile de microbiologie şi fiziologie.#e e"emplu este posibil să se realizeze măsurarea de pA in vivoQ .

'n practică acesti doi electrozii,de chinhidronă şi antimoniu, trebuie săfie standardizaţi cu a*utorul soluţiilor tampon standard.

SE(O'* *O(SE%E!*8*

%enzorii ionselectivi sunt semipile electrochimice (electrozi ), în care peinterfaţa electrod electrolit apare o diferentă de potenţial datorită repartizării inegale a

262



sarcinilor. !nterfaţa se realizează cu a*utorul unor membrane selective, regiuni dinspaţiu care separă două faze, astfel înct transportul de materie între fazele e"terioare

de contact să fie modificat sau inhibat faţă de transportul ce s ar instala dacă celedouă faze ar fi în contact direct.Cransportul selectiv se realizează prin$ schimb de ioni şi de electroni, prin

adsorbţie, e"tracţie, sau procese cinetice interfaciale. +ceste fenomene duc la apariţiapotenţialului de membrană, care în ma*oritatea cazurilor poate fi corelat cu activitateaionilor din soluţiile e"terioare.

=embranele care functionează drept senzori ionici, trebuie sa aibăurmătoarele caracteristici$ a) să e"iste un echilibru de repartiţie a ionilor pe ambele interfeţe3 b) în cazul membranelor permeabile sa aibă loc schimb de ioni peinterfeţe3

c) masa membranei să transmită cmpul prin conductibilitate ionică3 d) pe una dintre interfeţe să poată să e"iste un echilibru electronic înlocul

celui ionic (contact metalic direct)3 e) membranele selective să prezinte porprietăţi preferenţiale de schimb de ioni şi de mobilitate în raport cu un ion dat.

%enzorii ionselectivi, în anumite condiţii bine stabilite, pot genera unpotenţial de electrod reversibil, determinat de o anumită specie ionică, motivpentru care se numesc senzori ionselectivi sau electrozi ionselectivi (/!%).

/lectrozii ionselectivi răspund favorabil cerinţelor ce se pun în faţaunui senzor electrochimic$ funcţie de transfer stabilă, viteză de răspuns

mare, consum de materie redus, asigură determinări directe fără perturbareamediului, prezintă posibilităţi de miniaturizare, are aspecte tehnico economice favorabile ( sunt simple, robuste, uşor de mnuit şi dereconditionat ).

&u a*utorul /!% se pot determina direct un număr foarte mare despecii, în special electrozi anioni sensibili sunt unici. +ceşti electrozi suntutilizaţi foarte des şi în metodele indirecte, de e"emplu$ dozareaaminoacizilor, a enzimelor, a unor gaze, sau sunt utilizaţi ca electroziindicatori la titrările potenţiometrice.

Baptul că /!% indică activitatea de echilibru, le conferă o posibilitate deutilizare în plus la studiul echilibrelor chimice sau al vitezelor de reacţie. /!% au

aplicaţii largi în chimia analitică, chimia fizică, chimia biologică, în domeniulcontrolului poluării mediului, la controlul calitătii produselor, la reglarea proceselor defabricaţie.

&lasificarea senzorilor ionselectivi se poate face ţinnd seama denatura procesului generator de potenţial, de natura şi mobilitatea grupărilorpurtătoare de sarcini, de starea de agregare şi natura chimică a materialuluielectrodic activ, de prezenţa sau absenţa unui liant suport în structuramembranei.

Buncţie de natura membranei electrozii ionselectivi se pot clasificaastfel$

. /!% cu membrană de sticlă3

263



/. /!% cu membrană solidăa) cu mem!rană solidă omogenă

membrană din topituri (0a%O8 ,+g>, +g6% +g>)membrană monocristal (RaB- , Pb%)membrană ceramică (precipitat sinterizat, presat în formă de pastilă$ &u 6%,

+g6%)b) cu mem!rană solidă eterogenă

membrană impregnată $ pe suport ceramic (fericianură, &u6? ) pe suport celulozic (0a%O8 ) pe grafit (%electode) (+g>)membrană #nglobată în parafină (o"alat de calciu)

în colodiu (dimetilglio"amat de nichel) în cauciuc siliconic (tip Pungor).0. /!% cu membrană lichidă1. Cipuri speciale de /!%

onstructia E*S în principiu este simplă şi este prezentată în figura.8<, care ilustrează şi două modalităţi de contactare a interfeţelor.

Bormele practice de /!% sunt de obicei cilindrice cu un diametru de 5 6< mm şi cu o lungime de 5 6< cm. Ra determinări electrodul se scufundă în soluţia de determinat. #acă aceasta conţine un ion care poate difuza înmembrană, difuzia va avea loc pnă ce potenţialul chimic al ionului respectiv

va fi egal pe ambele părţi ale membranei. =embrana se echilibrează prinapariţia unei diferenţe de potenţial care se determină cu a*utorul unuielectrod de referinţă cufundat de asemenea în soluţia de determinat.

R1 R2

M

ăΙ

a)

S1 S2

b)

Fig.5.4. %chema de principiu a senzorilor ionselectivi.

264



a). = membrană3 %5 soluţie e"ternă3 %6 soluţie internă3 5 electrod de referintă e"tern3 6 electrod de referintă intern3

b). &ontact metalic direct pe membrană. &ontactul metalicdirectpe membrană poate înlocui solutia internă şi electrodul de

referintă.

Borţa electromotoare a pilei galvanice se poate reda printr o ecuatiede tip 1ernst

/ ; const. ± % lgai (.5-)

în care $ constanta din ecuaţie reprezintă suma algebrică a trei potenţiale

(presupuse constante pentru o celulă dată) $const. ; /ref. ? /o S ? /M (.5-9)unde $

/ref. potenţialul electrodului de referintă utilizat,/o S potenţialul normal al electrodului ionselectiv

(potenţialul într o soluţie în care a i ; 5),/M suma potenţialelor de *oncţiune din celulă. % este panta funcţiei de electrod (sensibilitatea /!%)3 are valoare

pozitivă în cazul cationilor şi negativă în cazul anionilor.Faloarea teoretică a lui % este de 7,6 4n mF, unde n reprezintă

valenţa ionului respectiv. +ceasta înseamnă că o variaţie cu un ordin de

mărime în activitate este asociată cu o variatie de potenţial de 7,6 mF încazul ionilor monovalenţi, de 67.9 mF în cazul ionilor bivalenţi ş.a.m.d.#eoarece ai ; χ i &i , unde χ i este factorul de activitate, rezultă$

/ ; const. ± % lg χ i &i (.5-:)

#acă factorul de activitate se menţine constant, potenţialul senzoruluiva fi corelat cu concentraţia ionului respectiv$

/ ; const. ± % lg &i (.5-)

'n cazul în care concentraţia este mai mică dect χ i ≅ 5 şi diferenţadintre activitate şi concentraţie devine nesemnificativă. #acă însăconcentraţia creşte peste 5<8 mol4l, χ ! descreşte, iar diferenţa dintre a i şi &i

creşte corespunzător. &a atare graficul de calibrare este trasat pe bazadiluării succesive a unei soluţii standard, iar dreapta de calibrare se va curba în domeniu concentraţiilor mari. #acă specia de determinat se află parţialcomple"ată în probă (de e". ionii de B în apa potabilă), electrodul va sesizaactivitatea ionului liber, necomple"at. Pentru determinarea concentraţieitotale a speciei respective, proba trebuie în prealabil tratata pentru fi"areafactorului de activitate şi decomple"area speciei respective.

265



&aracteristicile /!% sunt$

precizia de determinare a potenţialului de electrod cu a*utorul /!%este de± <. mF (nu prea mare)3 pot functiona întrun interval foarte mare de concentratii carecuprinde cel putin 8 decade, mai rar 9 sau :3 au o sensibilitate sub 5ppm3 timpul de răspuns este cteva secunde la concentraţii mai mari dect 5< ppm, crescnd la cteva zeci de minute în domeniul de 5 ppb.

Eelectrozi cu membrană solidă omogenă

=aterialul ionsensibil constă dintrun monocristal sau o pastilăpolicristalină a unei combinaţii greu solubile (precipitat) fără liant sau altmaterial inactiv.

4astilele policristaline sunt preparate, prin presare din +g&l, +g0r, +g!dar mai ales +g6%. %ulfura de argint funcţionează ca electrod reversibil attpentru ionii de +g?, ct şi pentru ionii de %6, pe baza echilibrului desolubilitate$

+g6% ;; 6 +g? ? %6 (.5-7)

Produsul de solubilitate fiind foarte mic (E% ; 9D5<< ) electrodul areun răspuns nernstian faţă de ionii de argint pnă la concentratii de circa 5< 6<

g ion4R (în solutie tampon metalic).#acă materialul de electrod conţine şi oaltă sulfură greu solubilă, =e%, echilibrul

=e% ;; =e6? ? %6 (.58<)

stabilizează concentraţia ionilor de %6 din soluţie, electrodul functionndreversibil fată de ionii =e6? , prin intermediu ionilor de +g? din echilibrul(.5-7) pe care îi sesizează nemi*locit (electrod de speta a treia ). +stfelmembrana de +g%, care contine şi &u%, Pb% sau &d%, funcţionează ca

electrod ionselectiv pentru ionii de &u6?, Pb6? sau de &d6?.Pe baza unor echilibre analoage cu (.5-7),(.58<) electrodul +g6% ? +g! funcţionează ca senzor pentru ionii de Ag6?$

+g! ? Ag6? ;; Ag!? ? +g? (.585)

'n mod similar actionează şi anionii comple"anti, o membrană din +g6% ? +g! functionnd ca senzor pentru ionii de &1 prin sesizarea ionilorde ! participanţi la echilibrul$

+g! ? 6&1 ;; (+g&1)6 ? l (.586)

266



'n mod analog funcţionează /!% pentru ionii de &l , 0r , ! sau

%&1

./lectrodul de sulfură de argint este foarte selectiv, numai ionii de +g? putnddifuza în membrană.

Potenţialul de difuzie întrun cristal depinde de concentraţia şimobilitatea speciei purtătoare de sarcină. #e obicei în procesul de conducţieeste anga*at unul dintre ionii din reţea, cel cu raza ionică şi sarcina cea maimică. &onducţia are loc printrun mecanism de defecte de reţea, în cursulcăruia ionii respectivi se deplasează în vacanţa adiacentă. +vnd oconductivitate electronică de cca. 5<T, electrodul de +g6 % este uşor sensibilşi faţă de sistemele redo".

#in categoria electrozilor cu membrană monocristal cei mai importanti

sunt electrozii monocristal de RaB- pentru ionii de B

şi de monocristal de +g6% pentru ionii de +g? .

/lectrodul de florură de lantan este cel mai selectiv dintre electroziiionselectivi datorită echilibrului favorabil de schimb de ioni pe suprafaţă şiunei conductibilităţi e"clusive faţă de ionii de B . Buncţia de electrod estedată de relaţia $

/ ;; /U <.<7 lg aB (.58-)

+ceastă relaţie este valabilă într un domeniu foarte larg de activităţi(5 5<9 moli). %electivitatea electrodului este unică, măsurătorile nu suntafectate nici de un e"ces de 5<<< de ori de ioni de halogenură, 1O -

, PO8- ,

A&O-

etc. /lectroliţii străini în concentraţii mari acţionează doar prinmodificarea activităţii ionilor de B. Buncţionarea electrodului este limitată att în domeniul acid ct şi în cel alcalin din cauza echilibrelor $

A? ? B ;; AB ? B ;; AB6 ?B ;; AB-

6 (.588)respectiv

RaB- ? -OA ;; Ra(OA)- ? - B (.58)

O celulă tipică este compusă dintrun electrod de calomel saturat şi unelectrod de florură care conţine un electrod de referinţă +g4+g&l . +ceastăcelulă poate fi scrisă astfel$

Ag 3 Ag6 &l6 l E &l(sat) ll B(nec.) l RaB- (s) l 1aB (<.5=),1a&l (<.5=) I +g&!(s) 3+g

(.589)Potenţialul celulei este dat de relaţia $

/celulă ; / +g&! //&% <.<7 lg aB ? /a ? /M (.58:)

în care / +g&! ,//&% , /a , /M sunt potenţiale constante pentru o celulădată, reprezentnd potenţialul electrodului de referintă interior, potenţialulelectrodului de referinţă e"terior, potenţialul de asimetrie şi respectivpotenţialul de *oncţiune.

267



#acă standardizarea se face întro soluţie de florură cu activitatecunoscută, atunci nu este nevoie ca toate aceste constante să fie cunoscute

cu precizie. %a demonstrat că ionii de 1a?

, E?

, =g6?

, 1O-

,&l

şi de %O86

nuprovoacă interferenţe.&teva aplicaţii tipice ale acestui electrod sunt$ determinarea fluorului

din oase, din aer şi din probe de gaze, din băile de cromare, din minerale,din apă şi din pastele de dinţi.

/lectrodul de +g6 % monocristal este sensibil faţă de ionii de +g? pnăla concentraţii de 5<56=. &u a*utorul său se poate detecta în soluţii acide,prezenţa ionului liber de sulf, în concentratii foarte scăzute, 5< 5-=.

O construcţie tipică pentru pentru un electrod cu membrană solidăeste data în figura .85.

/lectrod de referintă intern

%olutie internă

&arcasa electrodului

%em!rană de monocristal

Fig.5.%. /lectrod cu membrană solidă

Eelectrozi cu membrană solidă eterogenă

=aterialul activ este fi"at întro matrice inactivă cu scopul de a măristabilitatea mecanică a membranei. &a material inactiv se utilizează PF&,polietilenă, ceară de parafină, policlorură de vinil sau cauciuc siliconic(Pungor) etc. =ateriale inactive se impregnează cu o substanţă activă, carepoate produce a variaţie de potenţial.

&el mai bine funcţionează electrozii cu halogenuri de argint, pentruionii de &l , 0r , ! , %6 .

/lectrodul elaborat de užič2a şi colaboratorii este un model deutilitate generală (%electode, firma adiometer). /ste construit dintr o barăporoasă, cilindrică, preparată prin presare de grafit hidrofobizat cu teflon,fi"ată într un tub de teflon, iar contactul electric se realizează cu o bară deoţel ino"idabil însurubat în electrod. /lectrodul se activează odată cuacoperirea suprafeţei e"puse prin frecare cu substanţa activă. +poi, după îndepărtarea e"cesului, suprafaţa se polizează.

Principalul avanta* constă în simplitate şi în posibilitatea de a schimbafuncţia electrodului prin îndepărtarea materialului activ anterior şi înlocuirea

268



cu unul nou. %e pot pregăti astfel senzori pentru ionii de +g ?, &u6?, &d6?,Pb6?, Vn6? , Ag6?, 1a?, >.

Proprietăţile electrodului sunt foarte mult influenţate de uneleproprietăţi ale substanţei active cum ar fi mărimea particulelor, formacristalină, condiţiile de precipitare şi produsul de solubilitate.

'n tabelul .- sunt prezentate un număr de electrozi cu membrană deprecipitat folosind săruri metalice şi chelaţi greu solubili.

'aell 5.3. lectrozi c memran- solid- eterogen-Materiall acti2 Matricea Sensiilitate

%tearat de calciu Parafină &a6? Cetrafenil borat de

potasiu

Cesătură de polistiren ?

sulfat de bariu Parafină 0a6?

Aalogenură de argint Parafină cu cauciuc siliconic +g? , >

%ulfură de argint &auciuc siliconic +g? , %6

Bluorură de calciu &auciuc siliconic B

0io"id de titan Poiletilenă A? , OA Wolframat de plumb Parafină Pb6? , XO8

6

Practic, pot fi realizaţi /!% pentru orice specie chimică cunoscută,dacă se găseşte sbstanţa activă potrivită.

+plicaţiile /!% în monitorizarea calităţii mediului sunt încă limitate, înspecial din cauza timpului de răspuns mare şi al interferenţelor.

5.5.&. 'ISE)*+I

+bundenţa literaturii de specialitate referitoare la termenul debiosenzorQ dovedeşte fără îndoială atractivitatea acestui domeniu carecuprinde o arie interdisciplinară greu de delimitat. &reşterea continuă agradului de automatizare din diferite domenii (ingineria chimică, ingineriamediului, biotehnologie sau medicină) a presupus conceperea şi utilizarea înultimii treizeci de ani a unei mari varietăţi de senzori. +ceste instrumenteanalitice care oferă o imagine mai e"actă a stării sistemului studiat la unanumit moment dat. 'n acest fel a fost posibil un control permanent alvariabilelor sistemului, putnd fi stabiliţi şi parametrii de operare ai acestuia în condiţii optime. =ai mult dect att, ca o consecinţă a înaltului grad deavansare al microelectronicii din ultimele decenii, au putut fi creaţi aşa numiţii9intelligent sensors: capabili de a se autocontrola şi autocalibra în funcţie deconditiile specifice de lucru.

5.5..%. eini+ie. Istoric.

269



Pornind de la definiţia propusă de !YP+& pentru senzorii chimici

analitici traductori miniaturizaţi ce pot raspunde selectiv şi reversibil laanumite specii chimice printrun semnal electric dependent de concentraţiaacesteia biosenzorii pot fi consideraţi ca o subgrupă a senzorilor chimici(chemosenzori) în care recunoaşterea speciei chimice respective serealizează pe baza unui mecanism de recunoastere biologică. +stfel, diferiţibiocomponentiQ izolaţi din sisteme vii cum ar fi$ enzimele, anticorpii sauantigenii, bacteriile, porţiuni de ţesuturi, celulele, lipozomii, receptorii suntcapabili să recunoască anumiţi compuşi chimici cu o mare specificitate,putnd astfel funcţiona ca regenerator de semnal.

Pornind de la aceasta putem considera că un biosenzor consta dindouă traductoare$ unul biochimic (materialul biologic sensibil) şi altul fizic

aflate în contact intim unul cu celalalt. Craductorul biochimic asigurăconvertirea substanţei de analizat întrun produs chimic sau întro proprietatefizică care este ulterior sesizată şi transformată întrun semnal electric decătre traductorul fizic. &ele două traductoare aflate în contact directconstituie un biosenzor.

'n acest fel un biosenzor combină sub forma unui singur elementsenzorial sensibilitatea unui chemosenzor clasic cu selectivitatea oferită demecanismul de recunoaştere biologică.

Primul biosenzor descris în literatură, deşi acest termen nu era încăutilizat la vremea respectivă, a fost prezentat de &lar2 şi RZons şi constădintrun electrod amperometric de o"igen care servea ca traductor fizic şi o

enzimă, glucozo"idaza, drept element sensibil (biocomponent) pentruglucoză. +stfel în 5796 &lar2 şi RZons au pus în evidenţă faptul că un analit

cum ar fi glucoza poate fi o"idat enzimatic, acest lucru presupunnd simultanconsumul unui coreactiv, o"igenul, şi apariţia produsului de reacţie apao"igenată care putea fi urmarită printrun proces electrochimic.

'ael 5.. /omponentele ni iosenzor 6nalitl 'radctor

iochimic

(iocomponent)

*rods7eactantsa *roprietatea

izic-

'radctor izic

%ubstratenzimatic!on%ubstanţeorganice

Co"ine=edicamenteProteine

/nzime

eceptoriorganite celulare

RipozomiCesuturi biologice +nticorpi4antigeni

Produs4 reactant

&aldura=asa

ezistenţaelectrică&apacitatea

/lectrod4amperometric/lectrod4potentiometricCranzistor cu efect decmpionselectiv(!%B/C)Rumina4absorbanţaRumina4fluorescenţa

Cermistor

&ristal piezoelectric

270



+ntigeni +nticorpi

Firuşi0acterii

&elule dro*die

0acterii

!mpedanţaYnde acusticesuperficiale

&hemorezistori 'n urmatorii ani sau depus eforturi pentru obţinerea unor noi senzori

enzimatici. #iferite metode de imobilizare a enzimelor cum ar fi$ adsorbţia pemembrane permselective, înglobarea în diferite geluri, legarea covalentă prinintermediul unor grupări active ale suportului, folosirea unor reactivi deimobilizare etc. au fost descrise pe larg. 'n 579: Ypdi2e şi Aic2s au numitelectrod enzimaticQ un dispozitiv format dintrun electrod de o"igen acoperitcu un strat de gel poliacrilamidic care înglobează glucozo"idaza, ca senzorpentru glucoză. +poi diferite combinaţii de materiale biologice asociate cudiferite tipuri de traductori au dat naştere conceptului larg de biosenzoriQ

capabil de a detecta analiţi de interes biologic şi de mediu.&teva dintre aceste posibile combinaţii sunt prezentate în tabelul .8.

5.5..&. 'ipri de iosenzori

0iosenzori funcţionnd pe principii enzimatice reprezintă primageneraţie de senzori din aceasta categorie. +ceştia se bazează pe reacţiichimice selective catalizate de anumite enzime. /nzimele respective pot fisolubilizate ca atare, formnd un strat foarte subţire în imediata vecinatate atraductorului sau pot fi imobilizate pe membrane sau geluri.

#in păcate stabilitatea acestor enzime imobilizate este relativ redusăşi în condiţiile de lucru aceasta variază întrun interval cuprins între ctevazile şi cateva luni, funcţie de enzima utilizată şi de tehnica de imobilizare.

O altă clasă de biosenzori o constituie cea a imunosenzorilor. +ceştiafuncţionează pe un principiu diferit, bazat pe asocierea selectivă dintreantigen şi anticorp combinată cu diferite metode de detecţie (fotometrie,amperometrie, potenţiometrie directă, etc).

Ynele dintre aceste sisteme pot funcţiona fară izolareabiocomponentului respectiv din mediul sau natural. 'n acest caz materialulbiologic este reprezentat de o cultură celulară intactă, o secţiune dintrunţesut biologic sau dintrun microorganism, toate acestea fiind utilizate fără o

purificare prealabilă. 'n cazul imunosenzorilor acest lucru este realizat prinutilizarea unor receptori sau a unor structuri receptoare reconstituite.

SE(O'* E(*+&!**

%enzorii enzimatici sunt primii biosenzori aparuţi şi deci sunt cel maibine studiaţi pnă în prezent. 'n acest caz o enzimă (sau un set de enzime)este cuplată cu un senzor electrochimic sau optic clasic capabil de a detectaselectiv unul din produşii de reacţie. 'n general enzima este imobilizatăprintro tehnică specială similară cu cele utilizate în cazul bioreactoarelor.#intre acestea, procedeele cel mai des întlnite sunt$

271



5. ataşarea enzimei solubilizate la o membrană permselectivă36. adsorbţia fizică sau chimică3

-. înglobarea în geluri (e"$ poliacrilamidă, amidon)38. legarea covalentă a enzimei pe suporturi insolubile cu a*utorul unorreactivi bifuncţionali (glutaraldehida, carbodiimide, diizocianati,etc).

Cehnica de imobilizare a enzimei este astfel un factor crucial pentrucomportarea biosenzorului şi urmareste obtinerea unei suprafete active catmai mare şi mai durabila.

a,Senzori electrochimici

0iosenzorii cu traductori electrochimici pot fi clasificaţi în două maricategorii$ biosenzori amperometrici şi potenţiometrici.

;iosenzori amperometrici =a*oritatea biosenzorilor utilizati în lucrările de cercetare sunt de tip

amperometric. Cabelul .. prezintă numai cţiva dintre aceştia. 'n acest cazreactanţii sau produşii reacţiei enzimatice sunt reduşi sau o"idaţi direct peelectrodul de lucru, iar curentul rezultat în urma acestui proces este măsurat. +stfel, din valoarea curentului măsurat, pe baza stoechiometriei reacţieipoate fi determinată cantitatea de substrat reacţionată.

'aell 5.5. iosenzori amperometriciSstratl nzima *rodsl detectat

+lcool=aleatBormiat&olina/tanol

[lucozaRactat

OligozaharideBenol

Bosfaţi

#ehidrogenaza

&olino"idaza +lcoolo"idaza[lucozo"idazaRactato"idaza[lucozo"idaza

Polifenolo"idaza

Bosforilaze

1+#A

A6O6

A6O6

A6O6

A6O6

A6O6

&hinona

O6

+şa cum se observa şi din tabelul de sus cel mei utilizat senzor estecel bazat pe electrodul de o"igen 4A6O6 întuct ma*oritatea reacţiilor implicăun consum sau o dega*are de o"igen. +cest consum de o"igen, sau formareade A6O6, este măsurat cu un electrod de O6.

Yn e"emplu este senzorul de glucoza bazat pe reacţia$

β glucoza ? O6 ? A6O6 +cid gluconic ? A6O6

272



catalizată de glucozo"idază ([O#). 'n aceasta reacţie au loc simultan trei modificări de concentraţii,

fiecare dintre acestea putnd fi utilizată pentru determinarea cantităţii desubstrat reacţionat$5) reducerea cantităţii de substrat (O6)36) creşterea concentraţiei de A6O63-) concentraţia de ioni A-O? generată prin disocierea acidului

gluconic.

O altă categorie de biosenzori functionează pe principiul detecţiei uneicoenzime. %e cunosc astfel peste 5<< de reacţii enzimatice în carenicotinamid adenin dinucleotida (1+#?) funcţionează cu un rol de coenzimă.educerea electrochimică directă a 1+#? sau o"idarea formei sale reduse

1+#A au fost de*a puse în evidenţă. #atorită domeniului larg de potenţial încare au loc aceste procese (?<.:5.< F), determinarea acestor specii nupoate fi realizată dect în prezenţa unor purtători de electroni (mediatoriredo") care funcţionează pe principiul prezentat în figura .86.

Spraa+-electrod Med7ed 06?

Sstrat

Medx 061 *rods

Fig.5.&. /lectrod enzimatic amperometric modificat cu un mediatorredo"

&ompuşii utilizaţi drept mediatori sunt de fapt nişte sisteme redo",deseori colorate cum ar fi albastrul de metilen, tionina sau ferocenimodificaţi. +ceştia realizează astfel un transfer indirect de electroni întreenzima respectivă şi electrod.

'n general însă imobilizarea efectivă a acestor mediatori pentru

evitarea pierderilor de mediator în timp este greu de realizat, decurgnd decele mai multe ori cu o dezactivare substanţială a mediatorului.

;iosenzori potenţiometrici 0iosenzorii cu traductori electrochimici pot fi utilizaţi în cazul în care în

urma reacţiei enzimatice propriuzise are loc un transfer de protoni.=a*oritatea senzorilor de acest tip au la bază un electrod de pA, aşa cum seobservă şi din tabelul de mai sus care oferă o succintă prezentare abiosenzorilor potentiometrici. %e poate observa astfel că măsurarea pAuluiconstituie o altă alternativă posibilă pentru urmărirea reacţiei de o"idare a

273



glucozei. +ceastă modificare a pAului se datorează formării aciduluigluconic.

+semănător, diferite grăsimi pot fi determinate pe baza modificărilorde pA cauzate de formarea unor acizi graşi./"istă o serie de alţi senzori potenţiometrici al căror traductor fizic

constă întrun alt electrod ionselectiv dect cel de pA sau întrun electrodgazsensibil (e"$ electrod de 1A-, electrod de &O6).

'aell 5.. iosenzori poten+iometriciSstart nzim- *rods 'radctor

+spartam[răsimi[lucoza

Yree

Penicilina +ntigen sauanticorp

RaspartazaRipaza[luco"ozidaza

Yreaza

Penicilinaza&elălaltpartener alcuplului

1A-

+cizi graşi +cid gluconic

1A8?, &O6

A-O?

&uplulantigenanticorp

/lectrod de 1A- gazos/lectrod pA/lectrod pA (pA!%B/C)

/lectrod 1A8?/lectrod pA/lectrod &O6

/lectrod pA/lectrod ionselectiv E?

Yn e"emplu este senzorul bazat pe reactia enzimatica de hidroliza aureei$

&O(1A6)6 ? 6A6O 61A8? ? &O-6

'n acest caz ambii produşi de reacţie pot participa la echilibredependente de pAul soluţiei, conducnd la alte specii chimice (&O 6

,, 1A-)care pot fi puse în evidenţă cu a*utorul unor electrozi gazsensibili.

1A8? ? AO 1A- ? A6O

?A?&O-

6 ? A? A&O- &O6 ? A6O A?

!, 'iocipuri

'n ultimul timp traductorii microelectronici de tipul tranzistorilor cu efectde cmp ionselectivi (ionselective field affect transistorsQ!%B/Cs) aucăpătat o largă utilizare att în construcţia chemosenzorilor ct şi abiosenzorilor.

274



+stfel !%B/Curile modificate enzimatic cunoscute sub numele de/1B/C (enzZme modified !%B/CQ), care constau în cele mai multe cazuri

dintrun !%B/C sensibil la pA pe a cărui suprafaţă este imobilizată o enzimă,sunt cel mai des întlnite. #imensiunile foarte reduse ale acestor traductorimicroelectronici au facut posibilă aplicarea lor mai ales în domeniul medical. +u apărut o serie de biosenzori /1B/C de tip cateter pentru analizaglucozei, ureei şi a penicilinei în care enzima respectivă a fost imobilizată pesuprafaţa unui !%B/C sensibil la pA fie cu a*utorul glutaraldehidei şi aalbuminei din ser bovină, fie cu a*utorul unor membrane.

c, Senzori optici (optozi,

Ransarea pe scară largă a fibrelor optice a făcut posibilă apariţia unornoi tipuri de traductori avnd performanţe comparabile cu a celorelectrochimici, traductori cunoscuţi sub numele de optrozi (sau optozi). +ceştisenzori optici au la bază fenomenele întlnite şi în spectroscopiaconvenţională, putnd pune în evidenţă modificări de fluorescenţă, absorbţie,chemiluminescenţă, refle"ie, indice de refracţie, etc.

&uplarea acestor senzori cu un sistem enzimatic capabil sărecunoască un anumit substrat a condus în ultimul timp la obţinerea unorbiosenzori enzimatici cu sistem de detecţie optic. =arele avanta* al acestorsenzori optici constă în faptul că măsurătorile efectuate cu aceştia nunecesită un sistem de referinţă ( spre deosebire de senzorii electrochimici

unde este absolut necesar un al doilea electrod cu un potenţial constant)3 eipot fi uşor miniaturizaţi şi de asemenea pot funcţiona în medii deosebit decomple"e cum ar fi sngele sangvin.

Yn astfel de senzor a fost conceput de Xolfbeis şi Crettna2 pentrudeterminarea glucozei folosind reactia enzimatica descrisa. în acest cazglucozo"idaza a fost imobilizata pe o membrana nZlon prin intermediul unorgrupari carbo"il activate, iar membrana a fost apoi atasata pe suprafata unuioptrod de o"igen.

#e asemenea Eulp şi &amins au construit un biosenzor optic pentrucontrolul unui proces de fabricaţie biotehnologic a penicilinei. %enzoruldetectează modificările de pA determinate de transformarea enzimatică a

penicilinei în acid penicilic cu a*utorul unui optrod de pA pe suprafaţa căruiaa fost depusă enzima penicilază împreună cu un indicator de pA. +lte cteva e"emple de biosenzori cu traductor optic sunt prezentate

în urmatorul tabelul .:.

'aell 5.;. Senzori enzimatici aza+i pe optoziSstrat nzima *rods 'radctor

/tanol[lucoză

Yree

+#A4R#A[O#

Yrează

1+#A#gluconolactona

1A-

Bibre opticeOptrodO6

Optrod 1A-

275



RactatPenicilina

R=OPenicilinază

Piruvat +cid penicilic

Bibre opticeOptrodpA

d, Senzori graimetrici

Yn alt tip de biosenzori, utilizaţi însă pe scară restrnsă, se bazeazăpe dispozitive de unde acustice superficiale sau pe cristale piezoelectrice. +stfel de dispozitive permit o detecţie a modificărilor de masă ce apar înurma unei reacţii chimice prin schimbarea frecvenţei de rezonanţă acristalului piezoelectric. Bolosind un cristal piezoelectric de cuarţ de 7 =Az,de e"emplu, teoretic este posibilă detecţia unei modificari de masă de ordinul5<7g.

[uilbault şi colaboratorii au descris un astfel de senzor bazat pecristale piezoelectrice acoperite cu un strat de enzimă. %electivitatea în acestcaz este asigurată de formarea unui anume comple" substratenzimă, în timpce sensibilitatea este dată de creşterea stoechiometrică a masei dictată deecuaţia reacţiei respective.

SE(O'* ;&&<* 4E 5%!5'* E%5%&'E S&5 SE<*5(* 6E<ES5!5'* ;*O%O"*E

1u numai enzimele izolate ca atare ci şi celule biologice intacte pot fi

utilizate ca traductori biochimici de recunoaştere a unuia sau mai multorsubstraturi în constructia unui biosenzor. &omparativ cu enzimele izolateacestea oferă de cele mai multe ori avanta*ul unei perioade de activitate mai îndelungată ca urmare a faptului ca enzimele conţinute în celula respectivăsunt menţinute în mediul lor natural. +stfel de celule sunt însă mai puţinselective întruct ele conţin amestecuri enzimatice.

+celeaşi performanţe sunt asigurate şi de secţiuni ale unor ţesuturibiologice. +rnold şi echnitz, spre e"emplu, au descris un senzor de A 6O6

care utilizează drept amestec multienzimatic o secţiune de ficat bovin denumai <.5mm grosime. +ceasta, conţinnd o concentraţie ridicată decatalază, asigură descompunerea apei o"igenate, iar O6 dega*at este

măsurat cu a*utorul unui electrod de o"igen.

;*OSE(O'* +*'O;*&%*

O direcţie recentă de dezvoltare a biosenzorilor o constituieimobilizarea unor microorganisme cum ar fi bacteriile (cu setul lor de enzime)pe suprafaţa diferitilor traductori fizici (electrozi, !%B/C, etc). +cest procedeuoferă o serie de avanta*e economice şi analitice faţă de electrozii enzimaticiconvenţionali şi anume$ durata de funcţionare mărită, posibilitatea deregenerare, eliminarea procesului foarte complicat de izolare şi purificare a

276



enzimei. Ytilizarea bacteriilor prezintă avanta*e deosebite, atunci cnd sepune problema utilizării mai multor sisteme enzimatice. Eobos şi colaboratorii

au elaborat un senzor membrană cu bacterii pentru determinarea ionului1O-. în acest scop ei au fi"at pe membrana unui senzor de 1A - bacterii de

&zotobacter vinelandii: care, cu a*utorul enzimelor lor 1O- şi 1O6

reductază,reduc ionul azotat în doua trepte la amoniac conform reacţiilor$

nitratoreductază

1O- ? 1+#A 1O6

?1+#? ? A6O

nitritoreductază

1O6 ? -1+#A 1A- ? 1+#? ? 6A6O

#e asemenea Earube şi EitagaWa au construit un senzor microbialpentru alcool folosind un !%B/C sensibil la pA drept traductor. Pentruacestea ei au imobilizat bacteria acidului acetic 9"luconobacter suboxidans:pe suprafaţa unui !%B/C pA cu a*utorul unei membrane gazpermeabile./tanolul, care difuzează trecnd prin aceast membrana, este transformat înacid acetic de către bacterii, iar !%B/Cul de pA sesizează modificareaconcentraţiei ionilor A-O?.

*+5(OSE(O'*

+cest nou tip de senzori se bazează pe reacţiile foarte specifice dintreanticorpi (+c) şi antigen (+g). 'n acest echilibru de reacţie, soldat în final cuobţinerea unui comple" antigenanticorp,

[ ][ ] [ ] Ac Ag

AgAc K

⋅

=

constanta de afinitate E *oacă un rol foarte important.

+stfel aceste reacţii *oacă un rol deosebit în analizele biochimice încare se urmareşte determinarea cantitativă a unuia dintre partenerii dereacţie. Cehnica determinării cantitative a unuia dintre imunoreactanţipresupune un test de competitivivate între un antigen marcat enzimatic (sauradioactiv) şi un antigen pur (care urmează a fi dozat) pentru anticorpulcorespunzător care este menţinut imobilizat pe un suport. +ceastă tehnicăpresupune însă trecerea printro succesiune de etape de lucru şi necesită decele mai multe ori o etapă de separare foarte laborioasă.

'n ultimii caţiva ani au fost concepuţi imunosenzori care elimină acestdezavanta*. /i reunesc traductorul respectiv (electrodul), sistemul deimunoreacţie şi un indicator enzimatic în cadrul unui sistem unic permiţnd

277



urmărirea directă a reacţiei imunologice. echnitz şi colaboratorii au realizatun imunosenzor de acest tip în care antigenul respectiv este legat covalent

de un ionofor şi este imobilizat întro membrană de PF& (obţinnduse astfelun imunoelectrod). =odificarea potenţialului de electrod care se observă laadaugarea în sistemul de analizat a anticorpului corespunzător se datorează în principal modificării proprietăţilor ionoforului atunci cnd anticorpul estelegat sub forma comple"ului anticorpantigen.

+lţi imunosezori descrişi în literatură au drept traductor fizic sistemede natura optică, cristale piezoelectrice, etc.

Caracteristici i limitari ale !iosenzorilor

%electivitatea este cea mai importantă caracteristică a unui biosenzor întruct ea permite utilizarea acestuia întro matrice comple"ă. &u toateacestea este greu de găsit un senzor absolut specific, care să raspundănumai la analitul care prezintă interes. #eşi biocomponentul senzorului esteales de obicei datorită e"celentei sale selectivităţi faţă de substanţa deanalizat, acest avanta* este de cele mai multe ori compromis prin alegereatraductorului fizic adecvat. #in acest motiv biosenzorii electochimiciutilizează deseori un sistem de membrane care reuşesc să prevină atingereasuprafeţei electrodului de către substanţele care pot interfera.

#e asemenea timpul de viaţă, reproductibilitatea şi stabilitateabiosenzorilor sunt limitate de sistemul biochimic sau biologic ales drept

biocomponent.%ensibilitatea şi limita de detecţie a biosenzorilor sunt alte douăcaracteristici care uneori pot varia în sensuri opuse, limitnd domeniul lor deaplicare. %pre e"emplu este posibilă achizitionarea unui biosenzor cu o bunăsensibilitate, dar cu o limită de detecţie nasatisfacatoare pentru controlulunui anumit bioproces datorită zgomotului de fond foarte ridicat.

Coate aceste caracteristici constituie criterii importante în alegereaunui astfel de biosenzor în urmărirea şi controlul unor procesebiotehnologice, medicale, monitorizarea mediului, etc.

6*<I/6=II 6< IS0>7I<7

&ea mai importantă aplicaţie tehnologică a biosenzorilor este controlulanalitic al proceselor de fermentaţie în scopul optimizării acestora şi aminimizarii consumului unor substaţe nutritive destul de costisitoare. +stfelcontrolul concentraţiei de glucoză, etanol, lactat, cefalosporine sau penicilinereprezintă numai cţiva din parametrii care pot fi urmăriţi cu a*utorul acestorbiosenzori în procesele de natură biochimică.

#e asemenea bcontrolul calităţii mediului încon*urator în studiiecologice şi în special controlul calităţii apei este un alt obiectiv al analizeiinstrumentale folosind biosenzori. =a*oritatea acestor biosenzori se bazează

278



pe asocierea unor microorganisme cu un anumit traductor capabil sădetecteze diferiţi constituenţi ai apei cum ar fi$ conţinutul ionic (fosfaţi,

azotaţi, nitriţi, etc), conţinutul în diferite pesticide sau metale grele to"ice,conţinutul în o"igen, etc. 'n final, un alt e"emplu în care biosenzorii şiau găsit o largă aplicaţie

este tehnologia medicală şi studiile de fiziologie. 'n acest sens senzorii deglucoză şi lactat folosiţi pentru masurători 9in vivo: reprezintă o performanţă.=iniaturizarea acestor senzori de importanţă medicală este de aceea odirecţie prioritară şi de mare actualitate a cercetătorilor analişti, direcţielargită în paralel cu dezvoltarea tot mai crescută a microelectronicii.

I<I?76FI

5. !.[. =urgulescu, O.=.adovici, 9*ntroducere #n himie izicăQ, vol.!F, /lectrochimie, /ditura +cademiei, 0ucureşti, %98 6. !.+.F.0utler, !rans.arada= Soc., 6,-:7,%93& -. C./rdeZ [ruz, +.8olmer, .4h=si> hem., ( + ) , 59, 56, %93% 8. M.O\= 0oc2ris, +.E.1.eddZ, 9+odern Electrochemistr=:, vol.!!, Plenum osetta, %9;3 . R.Oniciu, 9himie izică ? Electrochimie:, /ditura #idactică şi Pedagogică,

0ucureşti, %9;; 9. C./rdeZ [ruz, 9@inetics of Electrode 4rocesses:, %9;&

:. !.+.+tanasiu, [.Bacs2o, 9Electrochimie:, /dituraCehnică, 0ucureşti, %958 . X.+.0rattain, &.[.0.[arett, 4h=s.'ev.,78,:<( 578 ). 7. /.+./fimov, !.[./rusalimchi2, Aur.iz.7im., -6,55<-,%9583 -, 8-,%9%3

-,7, %95<. !u.+.Fdovin, F.[.Revich, F.+.=iamlin, 6o>l. &.(.S.S.S.'., 569,5679,%95955. [.&harlot, M.0adozRambling,0.Cremillon, 9%es rBactionBlectrochimiCues:,

/ditura =asson et &ie , Paris ( 577 ).56. .X.[urneZ, 4roc.'o=.Soc.$ %ondon ) &, 5-8, 5-:,%93%5-. A.[erischer, .4h=s.hem.(.., 69, 66-,-6, %943 6:,8, %9%58. A.[erischer, &dvances #n Electrochemistr= , 5:< vol ! 1eW @or2, %9%

5. X.A.0rattain, &.[.0.[arret, ;ell S=stem.!echn.A., -8,567,%95559. ..#ogonadze, +.=.Euznetsov, !u.+.&hizmadzhev, Aur.iz.7im.,

-,557, %95:. +.Brum2in, R.1e2rasov, F.Revich , @u.!vanov, A.Electroanal.hem., 5, 8,

%9595. &.Biroiu, 9!eoria proceselor electrochimice:, /ditura #idactică şi

Pedagogică, 0ucureşti, %98357. [.1iac şi /.%chonberger, 9himie fizică:,vol.-,/dituraCehnică, 0ucureşti

%9;46<. F.R.Aeifet,#.E.+vdeev, R.%.eisahrit, 9%ucrari practice de electrochimie: ,

/ditura Cehnică, 0ucureşti, %958

279



65. &.Ruca, +l.#uca, !.&rişan, himie analitică ş* analizăinstrumentală:, /ditura #idactică şi Pedagogică , 0ucureşti , %983

66.!.=.EORCAOBB, P.M. /RF!1[, !reatise on &nal=tical,hemistr=:,4art ** ,vol 8 ,!nterscience , 1eW @or2, %9

6-./.0.%andell, 9olorimetric 6etermination of traces of +etals: ,!nterscience , 1eW @or2 , %959

68.[r.Popa, %. =oldoveanu, &naliză chimică cantitativă cu reactivi organici , /ditura Cehnică , 0ucureşti, %99

6.R. Ee2edZ, &naliză fizică-chimică:, /ditura #idactică ş!Pedagogică,

0ucureşti, %9969./.&ordoş, &naliză instrumentală:, Yniversitatea 0abeş0olZai,

&lu*1apoca , Bacultatea de Cehnologie &himică,%984

6:.#. M. PietrzZ2, &. X.Bran2, himie &nalitică:, /dituraCehnică,%989

280

Capitolul 5d

Documents

Transcript of Capitolul 5d