Новые материалы и технологии создания химических сенсоров Дальнейшее развитие химической сенсорики исследователи связывают с привлечением для создания сенсоров новых материалов и технологий. В статье Н.В. Шведене, Д.В. Чернышёва и И.В. Плетнёва (МГУ им. М.В. Ломоносова) обсуждаются особенности и преимущества использования в электрохимических сенсорах ионных жидкостей. Своеобразие ионных жидкостей состоит в том, что это не только растворители с весьма привлекательными электрохимическими свойствами [10], но одновременно химические реактивы. Применение ионных жидкостей, содержащих различные функциональные аналитические группы, предопределяет новые возможности в функционировании сенсоров. Эта область исследований только начинает развиваться и можно смело прогнозировать, что на этом пути исследователей ждет много сюрпризов. Многообещающие перспективы в области сенсорики открывают наноматериалы и нанотехнологии [11—13]. Этой теме посвящен обзор С.Н. Штыкова и Т.Ю. Русановой (Саратовский государственный университет).
Первоначально сенсоры использовались для одиночных определений и анализа жидкостей, в частности, растворов электролитов. Эта практика аналитической химии и сейчас остается основной областью применения сенсоров. Вместе с тем в настоящее время активно ведутся исследования по созданию и использованию сенсорных сетей.
Здесь уместно привести высказывание о естественных, биологических сенсорах [14]. «Человек в некотором смысле живет в сенсорном мире. Этот мир создается, прежде всего, сенсорами зрения, слуха, обоняния, вкуса, тактильными сенсорами. Насколько этот мир соответствует окружающему реальному миру, вопрос философский и не имеет простого ответа, хотя бы потому, что наши представления об окружающем мире у каждого свои и редко совпадают друг с другом». В свою очередь статья «Сенсорные системы» в Большом энциклопедическом словаре (Биология) [15] заканчивается следующей фразой: «...в значительной мере установлены некоторые принципы и механизмы обработки информации в сенсорных сетях, однако остается не ясным, каким образом формируется целостный сенсорный образ». Вот эта неясность формирования образа реального исследуемого объекта приводит, с одной стороны, к тому, что сенсорную сеть перед использованием необходимо предварительно учить, а с другой — иногда сенсорная сеть позволяет определять аналит, который не представлен в сети индивидуальным сенсором [14]. Так или иначе, но создание и использование сенсорных систем — это самое перспективное направление в сенсорике.
Отметим, что в этом случае сенсорные сети используются как тест-методы анализа для классификации объектов анализа, т.е. работают по принципу «да-нет» и особенно эффективны для выявления контрафактной продукции. Проблеме создания биосенсорных систем посвящена статья Ю.Г. Власова и А.В. Легина, А.М. Рудницкой (Санкт-Петербургский государственный университет).
Методы макроаналитической химии в сенсорном анализе К практике применения сенсоров примыкает направление, реализующее в сенсорном анализе методы макроаналитической химии.
Наиболее ярким примером такого подхода является развитие хромато-масс-спектрометрических методов анализа соединений с использованием баз данных, содержащих масс-спектры тысяч соединений. Компьютер спектрометра автоматически сравнивает спектр определяемого соединения со спектрами из базы данных и таким образом идентифицирует исследуемое соединение, а по интенсивности аналитического сигнала — его концентрацию в образце.
Другим примером такого направления является определение органических соединений, содержащих электрохимически активные группы, методом высокоэффективной ионной хроматографии с электрохимическими детекторами [16]. В данном номере журнала пример реализации метода макроаналитической химии в сенсорном анализе представлен в статье А.Я. Яшина «Инжекционно-проточная система с амперометрическим детектированием для селективного определения антиоксидантов в пищевых продуктах и напитках».
В развитии химической сенсорики был важный момент, когда Бергфельд в 1972 г. объединил электрохимическую ионочувствительную мембрану и полевой транзистор в одно целое — ионочувствительный полевой транзистор. Теоретическая возможность разместить на поверхности затвора полевого транзистора микронных размеров ионочувствительную мембрану и не одну и потенциальная возможность использовать планарную технологию привели к всплеску фантазии аналитиков, что и отразилось в определении, что же такое сенсор, или правильнее, что ожидало аналитическое сообщество от сенсоров. Приведем примеры.
«Спустя несколько лет полчища нанороботов будут лечить людей и следить за состоянием окружающей среды... В океан будет выпущен целый рой микроскопических роботов. Каждый из них будет способен определить чистоту воды, в которой он находится, и сообщить об этом по радио своему соседу.» [17].
Большие надежды связывает с нанороботами медицина. Трансдермальные системы доставки лекарственных средств получают все большее распространение. Они имеют форму пластыря или повязок, обеспечивают прохождение веществ в глубинные слои кожи и кровоток, устраняя колебания содержания препарата в крови, как бывает при ином способе доставки.
Реальность создания подобных систем так оценивает Джеймс Джимчевски (James Gimzewski) — один из основателей Калифорнийского института нанотехнологий: «В течение следующих пары лет ... появятся биодетекторы, которые позволят обнаруживать присутствие вирусов и различные типы опасных материалов ... Я думаю, что уже сейчас мы имеем все необходимое для этого, но необходимо объединить эти возможности ... Возможность работать с отдельными клетками, используя нанотехнологию, побуждает, и многие группы в США работают в этой области... Отдельные клетки представляют собой идеальный сенсор для контроля различных химических и биохимических процессов ... Однако, я думаю, что системы доставки лекарств — эта та область, в которой нанобиотехнология будет играть исключительно важную роль» [18].
Насколько реален в настоящее время и в будущем химический наноанализатор? Трудно сказать, но то, что развитие аналитической химии в этом направлении соответствует общей тенденции миниатюризации техники — несомненно.
Можно по-разному относится к подобного рода заявлениям, можно рассматривать это как миф, в создании которого участвовали многочисленные участниками разного рода конференций и совещаний, посвященных развитию химических сенсоров и химической сенсорики. Нельзя предполагать, что эти надежды может решить сенсорная химия, но в то же время необходимо согласиться с тем, что развитие сенсорики подготовило следующий этап развития аналитической химии: создание интегрированных микроаналитических систем или гибридно-интегральных систем полного химического анализа, микроаналитических систем (μ-Total Analytical System, μ-TAS, Lab on chips) [19].
Список литературы
1. Sensors Update 1. Eds. T.Grandke, W.H.Ko. Wiley-VCH, v. 1, 1996.
2. Micro Total Analysis Systems. Eds. A. van den Berg, P. Bergfeld. Netherlands, Kluwer, 1995, p. 250.
3. Золотов Ю.А. Ж. аналит. химии, 2005, № 10, с. 1011. 4. Файгель Ф., Ангер В. Капельный анализ неорганических веществ. Т. 1, т. 2. М.: Мир, 1976.
5. Файгель Ф. Капельный анализ органических веществ. М.: Госхимиздат, 1962.
6. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. М.: Едиторал УРСС, 2002.
7. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии. Ростов-на-Дону: Феникс, 1999, 544 с.
8. Кучменко Т.А. Применение метода пьезокварцевого микровзвешивания в аналитической химии. Воронеж: изд. Воронежской государственной технической академии, 2001. 9. Int. Symp. on Olfaction and Electronic Noses. St.-Petersburg, Russia, 3—5 may 2007.
10. Асланов Л.А., Захаров М.А., Абрамышева Н.Л. Ионные жидкости в ряду растворителей. М.: Изд-во МГУ, 2005.
11. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. Учебн. пособие. М.: Университетская книга. Логос. 2006.
12. Нанотехнология в ближайшее десятилетие. Прогноз направления исследований. Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильса, П. Аливасатова. Пер. с англ. М.: Мир, 2002.
13. Prasada Rao T., Kala R., Danirl S. Anal. сhim. аcta, 2006, v. 578, p. 105.
14. Смит К.Ю. Биология сенсорных систем. Пер. с англ. М.: БИНОМ, 583 с.
15. Большой энциклопедический словарь. Биология. М.: Изд. БРЭ, 1998, c. 568.
16. Sensors Ser. Eds. W.Gopel, J.Hesse, Zemel J.N.Weinheim, Wiley-VCH, 1989—1996, v. 1—9.
17. Зимина Т.М., Лучинин В.В. От сенсоров к микроаналитическим системам. М.: Техносфера, 2005, c. 302.
18. htth//offline.computerra.ru./print/offline/2004/553/35459/ 19.Drug Discovery Today. 2001, v. 6(19), p. 967.