Мембраналық сенсорлар мен биосенсорлар
РЕФЕРАТ
Тақырыбы: Тұзды суларды тұщыту процестеріндегі мембраналық технологиялар
Орындаған: Сейтжапар Нұржігіт ЯФ-41
Қабылдаған: Химия ғылымдарының кандиданты, доцент Сатаева Г.Е.
Астана 2016
Жоспары:
1. Кіріспе
2. а) Тұщы суды алу әдістері
б)Сыртқы ортаның мембранаға әсері
3.Қортынды
4.Қолданылған әдебиеттер тізімі
Барлық қолданылатын тұндыру әдістерін шартты екіге бөлуге болады:
электрохимиялық және химиялық.
Темплаттың қуысын толтыруға керекті затты газ, сұйық (ерітінді немесе балқытпа) немесе қатты фазада енгізугеболады. Дегенмен газ фазасын тұдыру әдісінде және қатты фазада матрицаны толтыру қуыстарды толық толтыруға мүмкіндік бермейді, сондықтан бірқатар шектеулерге ие.
Сұйық фазадан толтыру ең кең таралған әдіс болып табылады. Бұл әдіс қуысты балқытпалардың қосылыстарымен немесе материалдармен сіңіруден кейін матрица көлеміне химиялық немесе физикалық түрлендірулер енгізілген қосылыстармен негізделген. Осындай әдістердің қатарына сұйық фаза прекурсорларын қолдана отырып матрица қуыстарына тікелей заттарды синтездеу золь-гель әдісін, жоғары қысымды және басқа әдістерді жатқызуға болады. Осы тәсіл қуысты матрицаға керекті материалды айтарлықтай бір қалыпты енгізуге мүмкіндік береді, дегенмен толтыру дәрежесі 50%-дан сирек жағдайда көтеріледі.
Жоғарыда көрсетілген кемшіліктерден электрохимиялық тұндыру әдісі қарастырылған. Матрицаның қуыстарын металдармен толтыруда электрокристаллизацияның негізгі құндылықтары төменде көрсетілген:
-енгізілген заттың санын кулонометрлік бақылау мүмкіндігі;
-тұндыру режимдері мен қуыстардың формаларын өзгерту арқылы геометриялық анизотропия факторы бақыланатын наноқұрылымдар құру мүмкіндігі;
-енгізілетін материалдармен қуыстың барлық көлемін толтыру;
-синтезді бөлме температурасында жүргізу мүмкіндігі.
Электрохимиялық әдістің кемшіліктеріне мыналарды жатқызуға болады:
-электр түйіспесінің және негіздемеде белсенді орталықтардың болуы қажеттілігі;
-тек металл немесе жартылай өткізгіштік типті өткізгіш материалдарын алу мүмкіндігі (қалың қабаттарды алу кезінде);
-электролиттің ерітіндісімен матрицаның үйлесімділігін қамтасыз ету қажеттілігі;
- матрицаның үйлесімділігін қамтамасыз ету қажеттілігі;
-матрицаның бұзылуына немесе ТМ шаблонының қуыстарын оқшаулауға, сонымен қатар сандық анализ жасау қиындығына әкелетін бәсекелес реакциялардың өтуі (мысалы, сутектің бөлінуі).
Электролит құрамы мен электрлік тұндыру режимдерін өзгерте отырып, айнымалы әрі тұрақты құрамды наноқұрылымдар режимдерін өзгерте отырып, айнымалы әрі тұрақты құрамды наноқұрылымдаралуға болады.
Химиялық тұндыру әдісі құрамында қалпына келтіргіш бар су ерітінділерінен тұндырылатын металдың иондарын қалпына келтіруге негізделген. Ерітіндіде пленка бетінде ерітілген қалпына келтіргіш пен металл иондарының әректтесу реакциясы жүреді. Бұл ретте қалпына келтіргіштің тотығуы мен металл иондарының қалпына келуі автокаталтиткалық қасиеттерге ие беттерде көрінетін жылдамдықпен ағады. Олар: металл (никел, кобальт, темір, мыс, күміс, алтын, паладий, родий, платина, қалайы, қорғасын индий) ерітіндідей химиялық қалпына келтіру нәтижелерінде пайда болып, кейін қалпына келтіргіштің тотығу реакциясына катализденеді. Бұл шарт химиялық синтездің негізгі талабы болып табылады, себебі егер тұндырылатын металл автокаталитикалық қасиетке ие болмаса металл иондарының қалпына келуі ТМ бетінде емес ерітіндінің барлық көлемінде жүріп металл ұнтақтарының пайда болуына әкеліп соғады.
Соңғы он жылдықта наноәлем обьектілерінің ерекше қасиеттеріне байланысты әр түрлі металдардардың нанобөлшектерін зерттеуге деген қызығушылық айтарлықтай өсті. Бұл техника мен ғылымның әр түрлі салаларында қолданып жатқан сапалы жаңа материалдарды алу үшін қолданылатын жаңа мүмкіндіктердің пайда болуына алып келді. Осылай, наноматериалдар соңғы кезде тиімді және іріктеуші катализаторлар алуда, микроэлектрондық және оптикалық құрылғылардың элементтерін жасауда, сирек кездесетін қасиеттері бар материалдар синтезінде қолданылады.
Осы тектес материалдарды жасау олардың құрылу ұдерісі барысындағы реакциялардың механизмдері мен заңдылықтарын, құрылатын бөлшектердің табиғатын анықтауға бағытталған іргелі зерттеулер жүргізусіз мүмкін емес. Әдеби деректерде металдық нанөлшемді құрылымдардың синтезінің әдістемелерінің келесі түрлері келтірілген: су ерітінділерінде, зольдерде сұйық полимерлерде, әр түрлі химиялық жаратылыстағы субстраттарда. Бірақ осы материалдарды қолданудың мынадай елеулі кемшіліктері бар: өлшемі калибрленген репликалар алудың қиындығы, металл нанобөлшектері конглометраттарының өлшемі мен формасын бақылау өзекті сұрақ болып қалды.
Наноқұрылымдарды жасау үшін полимерлі тректі мембраналарды (ТМ) қолдану қазіргі наноматериалтануда перспективті бағыт болып табылады. Шаблонды материал ретінде ТМ-ды қолданудың келесідей даусыз артықшылықтары бар:
-Полимердің химиялық инерттілігі;
- Наноқұрылымдардың формалары мен өлшемдерін бақылау;
-Қуыстардың калибрленген өлшемі;
-Полимерлі пленканың оптикалық түссіздігі;
-Репликаның жазық беті нанобөлшектердің ұсақ дисперсиялы қабатын алуға мүмкіндік береді.
Наноқұрылымдардың ретке келтірілген массивін алу үшін темплейттік синтез әдісін қолданудың перспективасы композитті материалдардың химиялық құрамы мен құрылысдарын бірегей өзгерту мүмкіндіктерімен, сонымен қатар материалдарды әрлендіруге қымбат бағалы литографиялық әдістемелер орнына физика-химиялық тәсілдерін қолданғандағы экономикалық әсерімен шартталған.
Материалдардықалыптастырудың темплейттік әдісінің негізгі кезеңдері:
- Қуысты матрица құру, құрылым керекті өлшемді және формалы қуыстарды қамтиды;
- Матрицаның қуыстарын керекті металдармен толтыру.
Индикаторлы электродтың катодты поляризациясы бөгде ток көзі арқылы әрі ерігіш анод көмегімен де жүзеге асады. Индикаторлы электродтың тұрақты потенциалында шекті диффузиялық ток ақпараттық параметр болып табылады. Мұндай электрохимиялық сенсорлар O2 парциалды қысымның электр сигналынан сызықты тәуелді болғандықтан ақпараттық параметрі - тепе-тең электродты потенциал газ құрамынан логарифмді тәуелді потенциометрлік электрохимиялық сенсорлармен салыстырғанда алде қайда жоғары дәлдікті анықтамалықты қамтасыз етеді.
Электрохимиялық сенсорлар сұйық және газ тәрізді орталарында ешқандай дайындықсыз талдау жүргізуге мүмкіндік береді. Мысалға, суспензияларда құрамын O2,O3, H2, Cl2, H2S, N, C, S оксидтеріне тексеру. Электрохимиялық сенсорлардың негізгі пайдалану сипаттамалары: концентрациялар диапазоны, сезгіштік, іріктемелік, тез әрекеттік жұмыс ресурсы, сигнал шу қатынасы. O2 мен H2, концентрацияларының диапазоны көлемі бойынша 0-ден 100% -ға дейін, тезәрекеттік 1-ден 30секундқа дейін болғанда Cl2, H2S, SO2, CO -0,2 –ден 200 мг/м3 – дейін. Биологиялық ортаны талдауға үшін бөлек электрохимиялық сенсорларды ерекшелейді. Биосенсорлардың индикаторлы электродтарына ферментпениммобилизацияланған целлофаннан жасалған мембрана бекітіледі. Ферментативті реакциялардың жылдамдығын өзгертетін заттар субстраттар, ингибиторлар және сол ферменттер арқылы анықталады. Биосенсорлар құрамында глюкозаның, холестириннің, несепдің, несеп қышқылының, амин қышқылдарының және басқа заттардың құрамы 0,05 мкг/мл-ден 1 мг/мл-ге дейін өзгертетін көп компонентті жүйелерге автоматты түрде жоғары таңдаулы талдау жүргізуге мүмкіндік береді. Қандағы глюкоза құрамын анықтауға арналған электрохимиялық сенсорлардың өнеркәсіптік шығарылуы қалыпқа келтірілген.
Электрохимиялық сигнал антиген-антиде әсерінен өзгеретін иммуноэлектрохимиялық сенсорларды өңдеудегі перспектива.
Электрохимиялық сенсорларды топтап өндіру үшін микроэлектронды технологияларды қолдана отырып сезгіш элементтің электрод түйінін жасау перспективалы болып саналады. Жоғарыдағы суретте (2 сурет) Фотолитография әдісі бойынша жасалған жасалған электрохимиялық сенсордың сұлбасы көрсетілген. Кремнийден жасалған тілімшеде ұзындығы 3 мм, ені 0,8 мм және қалыңдығы 0, 38 мм үш электрдты электрохимиялық жүйе орналастырылған: Pt-дан жасалаған индикаторлы электрод (1) Pt-дан жасалған көмекші электрод (2) және салыстырмалы хлоркүмісті электрод (3).
Мембраналық сенсорлар мен биосенсорлар
Электрохимиялық сенсорлар мен биосенсорлар – бұл электрохимиялық үдерістің өтуі аналитикалық сигналды қамтамасыз ететін құрылғылар. Сұйық және газ тәрізді орталарда химиялыққосылыстарды сандық және сапалық анализі үшін арналған. Кәдімгі аналитикалық құралдармен салыстырғанда өзінің ықшамдылығымен, құрылымының оңайлығымен, салыстырмалы төмен бағасымен ерекшеленеді. Электрохимиялық сенсорлар аналитикиалық сигнал талдау жүргізілетін ортада химиялық әрекеттесулермен шартталған құрылғылар ортасында ең өңделген және кең пайдаланылатын тобын құрайды. Электрохимиялық сенсорлар потонциомтрлік болып бөлінеді. Аналитикалық сигналдар: индикаторлы электродтың потенциалы; электродты потенциалдың берілген мәнінде ұяшық арқылы ағып өтетін ток; электролит ерітіндісінің электр өткізгіштігі; электр тізбегіндегі кедергілер мен сыйымдылықтардың белгілі тіркестерінің электрлік эквивалентін көрсететін жүйенің электрохимиялық импедансы.
Электрохимиялық сенсорларды негізінен аналитикалық сигналдарды өндіретін, ықшам электрохимиялық ұяшықтарының индикаторлы электродына тотығатын немесе электрохимиялық қалпына келетін қабілетін, заттардың реакцияға қабілеттілігін (электр белсенді) анықтау үшін қолданылады. Индикаторлы электродтар ретінде инертті электродтар (Pt, Pd, Au, Ag) химиялық белсенді (Cu, In, Sn) немесе модификацияланған кешенді қосылыстар, сонымен қатар ионселективті электродтар қолданылады.Электролиттер сұйық (KCl, H2SO4 ерітінділері, буферлік ерітінділері), қатты (ZrO2, Al2O3, Sb2O5*nH2O) қоблатылған болуы мүмкін; сонымен қатар полиэлектролиттер де қолданылады.
Заманауи электрохимиялық сенсорларда сезгіш элемент ретінде (трансдьюсер) Л. Кларкпен (1953) ұсынылаған гальваникалық элемент қолданылады. Мұнда екі электрод пен электролит ерітіндісі жартылай өткізгіш мембрананың талдау ортасынан бөлініп алынған.
Мысалы, оттегі ампрометрлік сенсорда (сурет 1) цилиндрлік корпустың ішінде 1 платинадан жасалған индикаторлы электрод 2 және 3 күміс хлоридінен жасалған анод орналасқан (салыстырмалы электрод). Электролит (КCl су ерітіндісі) резервуарға 4 құйылып қалыңдығы шамамен 10мм пленка құрады. 5. Полимерлі мембрана 6 (полиэтилен, полипропилен, фторопласт, целлофан және т.б.) электролитті талдау жүргізілетін ортадан (су, газ) бөліеді. Оттегі мембрана арқылы элементтің ішіне өтіп катод-полярланғаниндикаторлы электродына қалпына келетін (реакция O2+4e- +4H+ = 2H2O). Қалпына келу тогы мембрана арқылы O2+ диффузиясының жылдамдығымен анықталады. Жылдамдық мембрананың өтімділігі мен қалыңдығына байланысты.
Мембраналарды құру прнципі –полимер ерітіндісін қуысты негізге құйып кептіру, немесе ионогенді гидрофильдік мономерді (акрил қышқылы) гидрофобты және тәгуші агенттермен сополимерлеу, әлде көп валентті металдардың (мысалы Al3+) иондарымен полиакрил қышқылын тігу. Барлық жағдайда мембраналар жақсы өнімділікте жоғары таңдаулыққа ие. Са2+ және Ма2+ иондарымен әлсіз қосылыстардың түзілуі құрамында карбоксильді топтар бар мембаналардың басты кемшілігі.
Құрамында сульфатроптары бар полимерлердің ішінде ең жиі қолданылатын сульфидтелген полисульфан. Бұдан жоғары өнімділікке ие ассиметриялық пленкалар немесе қуысты талшықтар дайындауға болады.
Қолданылған әдебиеттер тізімі:
1) А.Г.Камкин, И.С.Киселева «Физиология и молекулярная биология мембран клеток»
2) Д.О.Левицкий «Биохимия мембран»
3) И.Корыта «Ионы электроды мембраны»
4) http://www.studfiles.ru/preview/5354056/page:2/
5) http://ifreestore.net/1890/19/