katedra chemii nieorganicznej i analitycznej uniwersytet ... i biosensory... · katedra chemii...
TRANSCRIPT
Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Uniwersytet Łódzki
ul.Tamka 12, 91-403 Łódź
Dr Paweł Krzyczmonik
Łódź, luty 2015 1
Plan wykładu
Sensory – podstawowe określenia
Sensor chemiczny – definicja (wg IUPAC)
Wstęp
Wiązanie hydrofobowe
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
Dopasowanie przestrzenne
Typy sensorów
3
Wstęp
Początek XX w. odkrycie szkła czułego na pH. 1908 elektroda szklana Z. Klemensiewicz
Lata trzydzieste pierwsze wysokooporowe elektrometry do pomiaru pH.
1966 - elektrody jonselektywne Ca2+ F- Ag+ S
2- .
1962- pierwsze elektrody enzymatyczne.
1959 – ogniwo tlenowe Clarka.
1977 – pierwszy raz użyto określenia biosensor.
1975 – pierwsze miniaturowe sensory optyczne.
4
Analit – substancja oznaczana znajdująca się w próbce w określonym stężeniu
Interferent - substancje znajdujące w matrycy próbki mające wpływ na sygnał analityczny otrzymany daną metodą
Matryca próbki - substancje towarzyszące składnikowi oznaczanemu (analitowi) w próbce.
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
Sensory – podstawowe określenia
5
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
Sensory – podstawowe określenia
6
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.
Próbka analityczna
Część przetwornikowa
Część receptorowa
Sygnał analityczny
Zamiana informacji chemicznej na formę energii
Inne określenia i urządzenia pokrewne: • Czujnik • Detektor • Dozymetr • Aktuator
7
Typy sensorów
• Termiczne
• Masowe
• Elektrochemiczne
• Optyczne
• Potencjometryczne • Konduktometryczne • Amperometryczne
• Biosensory
8
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
Wzmocnienie
Rozpoznanie
9
SSXST aaa
X + S XS
kp
kl
minmax
dynamiczny SXSX aaZakres
XS
SX
l
p
xaa
a
k
kK
XS
SX
aa
aRTdGdG
ln0 0
X
XSTSX
Ka
aKaa
1
XSTSX aKaa
STSX aa max
Typy oddziaływań Rząd energii [kJmol-1]
Wiązanie kowalencyjne 10-50
Wiązanie wodorowe 0.2-2.5
Jon-jon 2.5-2.5
Siły Londona 0.2-2.5
Jonowo indukowany dipol 0.02-0.2
Dipol-dipol 0.02
Wiązanie hydrofobowe 0.07-0.1
1 Dla XKa
1 Dla XKa
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0 0.05 0.1 0.15 0.2
maxSXa
minSXa
aX – aktywność analitu aS – aktywność nieobsadzonych
centr aSX – aktywność analitu
związanego w centrach aST – całkowita aktywność centr
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
Jeśli K>104 to DG <-23 kJ mlo-1
10
i
sSiSXST aaaa
X + S XS
kp
kl
i
SiSX aaa0
XS
SX
l
p
xaa
a
k
kK
X
i
iiX
i
iiX
SToKaKa
aKa
aa1'
'
10
i
iiXX
i
iiXX
STaKaK
aKaK
aa
iS
Sii
aa
aK
X
ii
K
KK '
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
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
- wspólczynnik selektywności
'
iK
11
X
i
i
iXK
aKa1'
X
i
ii
i
ii
SToKaK
aK
aa1'
'
X
X
i
iXK
aaKa1'
XXST aKaa 0
X
i
i
iXK
aKa1'
STaa 0
Teoretyczne podstawy rozpoznania chemicznego
X
i
iiX
i
iiX
SToKaKa
aKa
aa1'
'
12
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
13
Dopasowanie przestrzenne
Dopasowanie geometryczne – Średnica długość, kąt itp.
Dopasowanie chemiczne – Zgodność odziaływania. DG>0 - Nie DG<0 - Tak
14
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
15
Dziękuje za uwagę