FIZYCZNE PODSTAWY SENSORYKI 5. Sensory jonowe, półprzewodnikowe i biologiczne w systemach jakościowej i ilościowej analizy chemicznej

Program: Zagadnienia: 1. Podstawy potencjometrii, ogniwo galwaniczne. 2. Miareczkowanie potencjometryczne. 3. Pomiary właściwości dynamicznych. 4. Czujniki czułe na masę. 5. Chromatografia cieczowa i gazowa. 6. Polarografia. 7.Czujniki jonoselektywne. 8. Pomiary stężenia tlenu z przetwornikiem półprzewodnikowym. 9. Pomiary konduktometryczne.

Literatura: 1. Golonka L. - Zastosowanie ceramiki LTCC w mikroelektronice, Oficyna Politechniki Wrocławskiej Romer E. – Miernictwo przemysłowe, PWN Warszawa Łapiński M. – Pomiary elektryczne i elektroniczne wielkości nieelektrycznych, WNT Warszawa Pomiar stężenia tlenu – instrukcja obsługi Oxor II, Półprzewodnikowy analizator gazu AF-50, Internet Jachowicz R. – Czujniki półprzewodnikowe, Elektronizacja nr Catalogue, Measurement Solutions, Cole-Parmer Instrument y 2002.

1.Podstawy potencjometrii. Rys.1. Schemat ogniwa galwanicznego z elektrodą srebrową i nasyconą elektrodą kalomelową. Rys.2. Potencjały elektrodowe różnych metali jako funkcje stężenia ich jonów.

1.1 Ogniwo stężeniowe Jeżeli dwie jednakowe elektrody umieścimy w zlewkach zawierających roztwory podobne pod każdym względem, z wyjątkiem stężenia (połączenie za pomocą mostka elektrolitycznego), to =Ew= + 0, ,0591 lg0,1000 = + 0,281 V Ex = + 0, ,0591 lg0,1500 = + 0,271 V Eogn = Ew - Ex = + 0,010 V 1.2 Pomiar stężenia jonów wodorowych. pH = - lg[H]+ pH = - lg(2,0 * ) = - lg2,0 - lg10 -4 = = 4 - lg 2,0 == 4 - 0,301 = 3,699 = 3,70 H + - stężenie - lg[H]+ = pH = 3,70 = 4 - 0,30 H+ = antylg(0,30 - 4) = (antylg0,30) * = 2,0 * m Wartości pH roztworów wzorcowych (według NBS) [1] [1] Roztwór 25C50C 0,05 m czteroszczawian potasowy KH3(C2O4)*2H2O Kwaśny winian potasowy, nasycony w temp. 25C 0,05 m kwaśny ftalan potasowy 0,025 m kwaśny fosforan jednopotasowy i 0,025 m kwaśny fosforan dwusodowy w tym samym roztworze 0,01 m boraks 1,68 3,56 4,01 6,86 9,18 1,71 3,55 4,06 6,83 9,01 [1][1]Według danych Batesa.

1.3 Elektroda szklana. Rys.3. Elektroda szklana. 2.Metody analityczne. Miareczkowanie potencjometryczne. Tabela 2. Miareczkowanie 100 ml 0,01 n HCl za pomocą 1,00 n NaOH Dodana objętość ml H+H+ pHE (elektroda wodorowa względem NEK) V 0,00 0,50 0,90 0,99 0,999 0,9999 1,0000 1, ,001 1,01 1,10 1,50 2, ,0* ,0* ,0 2,3 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 11,7 12,0 0,364 0,372 0,423 0,472 0,541 0,600 0,659 0,718 0,777 0,836 0,895 0,936 0,954 Rys.4. Krzywa miareczkowania kwasu octowego wodororotlenkiem tlenkiem sodowym.

Pehametr N-511

4 Czujniki chemiczne czułe na masę. Dla kryształu kwarcu o cięciu AT fo=N/d d - grubości kryształu N - stałą = 0,168 MHz*cm - jest gęstością [g/cm 3 ], S- pole przekroju poprzecznego kryształu [cm 2 ] - równanie Sauerbraya Δm[g], fo[MHz], Δf[Hz] Rys.1. Układ rezonatora kwarcowego z elektrodami i warstwą chemoczułą.

przykłady Rys.2. Różne konfiguracje czujników typu SWA Rys.3. Przetwornik palcowy IDT o okresie p i aparturze A Rys.4. Dwubramkowy rezonator kwarcowy stosowany w czujnikach typu SAW.

4.5 Przegląd podstawowych parametrów. AnalitWarstwa chemoczuła SelektywnośćCzułość bezwzględna [10-3 (Hz/ppm)/kHz] Toluen1,2 Polibutadien1: DwuchloroetanPoliwęglan1: EtalonPolikaprolaktamod ial 1:40.16 AcetonPoliwęglan1:40.34 MetanolŻywica poliamidowa 1: Uwaga: Czas odpowiedzi dla powyższych czujników wynosi około 1 min Rys.5.Temperaturowe charakterystyki czujnika

4.6 Zastosowanie. wykrywanie obecności wirusa HIV do pomiarów stężenia gazów używanych w anestezjologii ciśnienie i wilgotność sprawdzanie adhezji stopnia usieciowania poliamidów

5.Chromatogram. Rys.1. Schemat działania kolumny chromatograficznej. 1 – kolumna z fazą nieruchomą, 2 – faza ruchoma, A,B – składniki mieszaniny, C – stężenie analizowanych składników. Rys.2. Kolumna chromatograficzna (schemat). 1 – rurka(kapilara), 2 – gaz(faza ruchoma), 3 – warstewka cieczy(faza nieruchoma).

przykłady Rys.3. Typowy chromatogram. Rozdział węglowodorów: 1 - n-pentan, 2 - n-heksan, 3 – metylobenzen, 4 – benzen, 5 - n-heptan, 6 – metylocykloheksan, 7 – toluen, 8 - n-oktan, 9 – etylobenzen, 10 - p-ksylen, 11 - m-ksylen, 12 - o-ksylen. Rys.4. Stężenie gazu w fazie ruchomej i nieruchomej. Cr, Cn - stężenie w fazie ruchomej i nieruchomej: 1 - dla fazy nieruchomej ciekłej (rozpuszczalność), 2 - dla fazy nieruchomej stałej (adsorpcja).

przykłady Rys.6. Schemat chromatografu gazowego. 1 - butla z gazem nośnym, 2 - regulator ciśnienia(reduktor), 3 - oczyszczalnik gazu nośnego, 4 – manometr, 5 – przepływomierz, 6 - detektor konduktometryczny, 7 - grzejnik pomiarowy, 8 - opory stale mostka, 9 – rejestrator, 10 - kolumna rozdzielcza chromatografu, 11 - zawór dozujący, 12 - dopływ gazu analizowanego, 13-termostat.

przykłady Rys.7. Detektor jonizacyjny: a) płomieniowy, b) argonowy 1 - dopływ gazu nośnego, 2 - dopływ tlenu, 3 - katoda zbiorcza, 4 - odpływ gazu, 5 - siatka uspokajająca strugę, 6 - preparat promieniotwórczy, 7 - dopływ gazu (argon).

przykłady Rys.8. Schemat automatycznego chromatografu przemysłowego 1 - dopływ czynnika analizowanego, 2 - butla z gazem nośnym, 3 - reduktor ciśnienia i regulator przepływu, 4- urządzenie dozujące i przełączające, 5- kolumna rozdzielcza, 6 – detektor, 7 - nadajnik programu, 8 – rejestrator.

6.POMIAR STĘŻENIA TLENU, OXOR II. Rys.1. Schemat działania czujnika stężenia tlenu. Dane techniczne przyrządu. Zakres pomiaru ,5% Dokładność- 0,3% wskazania Czas odpowiedzi na pobraną próbkę-90% wielk. końcowej uzyskanej w ciągu 30s Zasilanie-4 baterie typu R14 Zakres temp. pracy-- 5 do + 40C Wilgotność względna otoczenia-10% do 85% bez kompensacji Ciąg pompki-do 2,5 cm słupa wody Waga-ok 0,6 kg z bateriami

6.POMIAR STĘŻENIA TLENU, OXOR II. Rys.2. Schemat blokowy przyrządu do pomiaru stężenia tlenu.