senzori fizikalnih veličina i elektranalitičke metode - PBF

I.Piljac
SENZORI FIZIKALNIH VELIČINA I ELEKTRANALITIČKE METODE
Udžbenik Sveučilišta u Zagrebu napisao Ivan Piljac, MediaPrint Tiskara Hrastić, Zagreb 2010.,
710 str., 16 24 cm, tvrde korice, ISBN 978-953-95404-1-6.
Knjiga je prvi interdisciplinarni sveučilišni udžbenik o senzorima fizikalnih veličina i
elektroanaltičkim tehnikama na hrvatskom jeziku i nema uzora u hrvatskoj stručnoj literaturi.
Udžbenik namijenjen je studentima prirodoslovnih, tehničkih i drugih fakulteta koji studiraju
načine mjerenja i regulacije fizikalnih veličina u sklopu nastavnih predmeta analitičke kemije,
fizikalne kemije, instrumentalne analize, predmeta vezanih uz mjerenje, kontrolu i regulaciju
tehnoloških postupaka te nastavnih predmeta vezanih uz biokemijske procese u industriji i prirodnim
biološkim sustavima.
Sadržaj;
TEORIJSKE OSNOVE
Uvod. Opća termodinamička razmatranja. Elektronska struktura krutina. Kontakt između dva
metala. Priroda kontaktnoga potencijala. Kontakt poluvodiča p-tipa i n-tipa. Polarizacija n-p spoja.
Kontakt metal-poluvodič. Dodirna površina elektrolitna otopina - krutina (elektronski vodič). Redokselektroda.
Miješani elektrodni potencija. Galvanski članak. Difuzijski potencija. Elektromotorna sila
galvanskog članka. Standardna vodikova elektroda. Mjerenje elektrodnoga potencijala. Standardni
elektrodni potencijal. Konstanta ravnoteže redoks-reakcije galvanskoga članka. Aktivitet i koeficijent
aktiviteta. Formalni (uvjetni) elektrodni potencija. Električni dvosloj. Brzina elektrodne reakcije.
Utjecaj prijenosa (transporta) elektroaktivnih čestica na struju elektrode. Difuzijska struja. Ovisnost
struje o potencijalu elektrode. Difuzijska struja pri nestacionarnim uvjetima. Mikroelektrode.
Elektroliza. Napon razlaganja. Faradayev zakon elektrolize. Referentne elektrode. Kalomelova
elektroda. Elektroda srebro/srebrov klorid. Westonov članak. Membranske elektrode. Ion selektivne
membrane. Pregled elektroanalitičkih metoda i opća obilježja elektrometrijskih senzora.
Elektrometrijski senzori. Obilježja kemijskoga senzora. Kemijska analiza. Analiza ubrizgavanjem u
protok.
ELEKTRONIČKI SKLOPOVI ZA MJERENJE FIZIKALNIH VELIČINA.
Analogni elektronički sklopovi. Operacijska pojačala. Razmjerni invertor. Naponsko zbrajalo.
Strujno sljedilo. Naponsko sljedilo. Integrator. Derivator. Sklop za uzorkovanje i pohranu. Naponski
detektor i naponski usporednik. Precizni izvor napona. Potenciostat. Strujno pojačalo. Dvostruki
potenciostat. Pikoampersko strujno pojačalo. Galvanostat. Digitalni elektronički sklopovi. Binarni
logički sklopovi. Booleova algebra. Sklopovi s tri stanja na izlazu. Koder i dekoder. Digitalna sklopka
i multipleksor. Digitalna sabirnica. Memorijska ćelija (bistabil) i registar. Sinkroni RS-bistabil. D-
bistabil. Bridom okidni D-bistabil. JK-bistabil. Monostabilni i astabilni multivibrator. Integrirani sklop
555 Timer. Registri. Brojila. Prstenasto brojilo. Analogno-digitalni i digitalni-analogni pretvornici.
Digitalno-analogni pretvornici. Analogno-digitalni pretvornici. Schmittov okidni sklop. Brojeći A/Dpretvornik.
A/D-pretvornik sa sukcesivnom aproksimacijom. A/D-pretvornik s integracijom s dvojim
nagibom. Računalo kao elektronička naprava. Ustrojstvo računala. Sabirnice. Centralna procesorska
jedinica. Memorija. Programibilne ispisne memorije. Otkrivanje pogrešaka. Periferne jedinice
računala. Prijenos (razmjena) podataka. Paralelni prijenos. IEEE-488 protokol. Serijski prijenos. RS-
232 standard. USB sabirnica.
POTENCIOMETRIJA I POTENCIOMETRIJSKI SENZORI.
Uvod. Indikatorske elektrode. Kovinske elektrode. Ion-selektivne elektrode. Staklena elektroda.
Staklene elektrode za druge monovalentne katione. Ion-selektivne elektrode s čvrstom membranom.

Selektivne elektrode s heterogenom čvrstom membranom. Selektivne elektrode s tekućom
membranom. Posebne vrste selektivnih elektroda. Elektrode za plinove. Selektivnost i dinamičko
područje membranskih elektroda. Adsorpcija aktivnih vrsta. Enzimske potenciometrijske elektrode
(bio-senzori). Određivanje koeficijenta selektivnosti i donje granice osjetljivosti. Presvučena žičana
elektroda. Naprave za mjerenje električnog napona potenciometrijske ćelije. Laboratorijski
potenciometar. pH-metri (pIon-metri). Naprave za potenciometrijsku titraciju. Poluvodička naprava za
mjerenje potencijala indikatorske elektrode. Kemijski regulirani IGFET. Primjena potenciometrije.
Mjerenje aktiviteta iona izravnom potenciometrijom. Potenciometrijsko određivanje aktiviteta iona H + .
Vodikova elektroda. Kinhidronska elektroda. Elektroda antimon/antimonov oksid. Staklena elektroda.
Praktična definicija pH. Poluvodička mjerna naprava za H + ione. ISFET za H + ione. Potenciometrijska
titracija. Određivanje točke ekvivalencije. Titracija do prethodno izmjerenog ili izračunanoga
potencijala odnosno pH. Određivanje koncentracije s pomoću koncentracijske potenciometrijske
ćelije. Određivanje točke ekvivalencije s pomoću matematički linearizirane potenciometrijske krivulje.
Kiselinsko-bazne potenciometrijske titracije. Kiselinsko-bazne potenciometrijske titracije u
nevodenim medijima. Taložne potenciometrijske titracije. Potenciomtrijske titracije zasnovane na
nastajanju kompleksa. Potenciometrijske redoks-titracije. Potenciometrijski senzori temeljeni na
promjeni izlaznog rada upravljačke elektrode IGFET-a. Senzori za plinove temeljeni na IGFET-u.
Elektrokemijska modulacija metala upravljačke elektrode SGFET-a. Potenciometrijski senzori sa
čvrstim elektrolitom. Senzor sa čvrstim elektrolitom za elementarni kisik. Senzor s čvrstim
elektrolitom za elementarni klor.
POLAROGRAFIJA.
Kapajuća živina elektroda. Obilježja kapilare. Brzina istjecanja. Vrijeme kapanja. Površina živine
kapi. Difuzijska struja na kapajućoj živinoj elektrodi. Čimbenici što utječu na difuzijsku struju na
kapajućoj živinoj elektrodi. Jednadžba polarografskog vala. Osnovna i kondenzatorska struja na
kapajućoj živinoj elektrodi. Migracijska struja. Nepravilnosti u struji na kapajućoj živinoj elektrodi.
Učinak otpora elektrolitne otopine u ćeliji na reverzibilni polarografski val. Primjena klasične
polarografije u određivanju termodinamičkih veličina. DeFord-Humeova metoda za određivanje
sastava i konstanti stabilnosti konsekutivnih kompleksa. Utjecaj koncentracije vodikovih iona na
reverzibilni polarografski val. Kvazireverzibilni i ireverzibilni polarografski va. Polarografski odziv
smjese više elektroaktivnih tvari. Kinetički kontrolirana granična struja. Granična struja kontrolirana
regeneracijom elektroaktivne tvari. Katalitički polarografski val. ECE-mehanizam elektrodne reakcije.
Granična struja kontrolirana adsorpcijom i stvaranjem filma na površini elektrode. Aparatura. Druge
polarografske metode. Tast-polarografija.
VOLTAMETRIJSKE METODE I VOLTAMETRIJSKI SENZORI.
Voltametrija s linearnom promjenom potencijala i ciklička voltametrija. Načelo metoda.
Jednadžba reverzibilnog voltametrijskog vala. Konvolucijska odnosno semiintegralna voltametrija.
Potencijal i struja vrha voltametrijskog vala. Ciklička voltametrija. Voltametrijski odziv ireverzibilnog
i kvazireverzibilnog elektrodnoga procesa. Ostali činitelji što utječu na voltametrijski val.
Voltametrijski odziv za konsekutivne elektrodne reakcije smjese više elektroaktivnih vrsta i za
elektrodnu reakciju koja se odvija u više stupnjeva. Utjecaj prateće kemijske reakcije na voltametrijski
odziv. EC-reakcije. CE-reakcije. ECE-reakcije. Utjecaj adsorpcije na voltametrijski odziv. Naprave za
voltametriju i cikličku voltametriju. Elektrode. Primjena. Voltametrije s pravokutnim naponskim
impulsom pobude. Impulsna voltametrija. Diferencijalna impulsna voltametrija. Voltametrija s
pravokutnim izmjeničnim signalom pobude. Voltametrija uz prisilnu konvekciju. Rotirajuća diskelektroda.
Rotirajuća elektroda s diskom i prstenom. Rotirajuća žičana elektroda. Voltametrijski
(amperometrijski) senzori. Kemijski modificirane elektrode. Amperometrijski biosenzori. Biosenzori
za glukozu. Biosenzor za glukozu uz molekularni kisik kao oksidans. Biosenzor za glukozu uz
medijator. Biosenzor za glukozu s medijatorom i enzimom kemijski vezanim na površini elektrode.
Kisikova (Clarkova) elektroda. Biosenzor za glukozu zasnovan na mjerenju potrošnje kisika.
Biosenzor za kolesterol. Biosenzor za utvrđivanje svježine ribe. Biosenzori zasnovani na koenzimu
(kofaktoru) Nikotinamid-adenin-dinuklotidu. Biosenzor za glukozu zasnovan na redoks-paru
koenzima NAD + /NADH. Biosenzor za "ketonska tijela". Minijaturni (submilimetarski) biosenzori.
Biosenzor za etanol. Imunosenzori. Drugi amperometrijski senzori. Galvanski članak kao senzor za

kisik. Amperometrijski senzor za metan. Visokotemperaturni amperometrijski senzor za kisik s
reguliranim dotokom analita.
ELEKTROGRAVIMETRIJA.
Načelo metode. Potencijal taloženja. Vrijeme elektrolize. Elektroliza uz regulaciju potencijala.
Elektrogravimetrija uz regulaciju struje elektrolize. Reakcije na anodi. Elektroseparacija. Potencijal
izlučivanja.
KULOMETRIJA
Zakonitosti kulometrijske analize. Kulometrija uz regulaciju potencijala radne elektrode.
Kulometr. Kulometrija uz regulaciju struje. Ćelija za kulometrijska određivanja Primjena kulometrije
uz regulaciju struje
ELEKTROMETRIJSKO ODREĐIVANJE ZAVRŠNE TOČKE TITRACIJE.
Potenciometrijska titracija s jednom indikatorskom elektrodom. Potenciometrijska titracija s dvije
indikatorske elektrode (bipotenciometrijska titracija). Amperometrijska titracija s dvije indikatorske
elektrode (biamperometrijska titracija). Amperometrijska titracija s jednom indikatorskom elektrodom.
ELEKTROMETRIJSKE METODE S OTAPANJEM PRETKONCENTRIRANOG ANALITA -
"STRIPPING"ANALIZA.
Voltametrija anodnog otapanja. Radna elektroda. Mjerna naprava. Voltametrija katodnog
otapanja. Potenciometrija otapanja analita. Analiza redukcijom (oksidacijom) adsorbiranoga sloja.
KONDUKTOMETRIJA I KONDUKTOMETRIJSKI SENZORI.
Električna svojstva otopina. Doprinos pojedine ionske vrste molarnoj provodnosti. Prijenosni broj
iona. Električna pokretljivost iona. Utjecaj koncentracije elektrolita na svojstva iona u otopini.
Električna provodnost H + i OH iona u vodenim otopinama. Mjerenje električne vodljivosti elektrolita.
Konduktometrijska ćelija. Mjerni uređaj. Primjena. Konduktometrijska titracija. Kiselinsko-bazne
konduktometrijske titracije. Druge vrste konduktometrijskih titracija. Visokofrekvencijska
konduktometrijska mjerenja. Konduktometrijski senzori. Kemijski otpornici. Konduktometrijski
senzori s permeabilnom membranom (za plinove).
OPTIČKI SENZORI.
Teorijske osnove. Apsorpcija i luminiscencija. Kemiluminiscencija. Ramanovo raspršenje svjetla.
Lambert-Beerov zakon. Svjetlovodi i optička vlakna. Refleksija i refrakcija svjetla. Difuzna refleksije.
Optički senzori. Senzori zasnovani na apsorpciji prolazećega svjetlosnoga snopa. Senzori zasnovani na
apsorpciji prolazećeg i reflektiranoga svjetlosnoga snopa. Senzori zasnovani na luminiscenciji. Optode
za senzoriranje iona. Optode za senzoriranje pH. Optode za senzoriranje plinova koji su potencijalne
kiseline ili baze. Optode za senzoriranje metalnih iona. Optoda za glukozu. Optoda za penicilin.
Optoda za kisik. Optode za ione u biološkim sustavima. Optode zasnovane na fluorescenciji NADH.
Optički senzori zasnovani na apsorpciji unutar utrnjujućega polja. Optički senzori zasnovani na
interferometrijskom načelu. Optički senzori zasnovani na rezonanciji površinskih plazmona.

SENZORI TEMELJENI NA NANOSTRUKTURAMA
Uvod. Elektronska struktura nanočestica. Senzori temeljeni ne nanočesticama i nanoklasterima.
Senzori temeljeni na nanožicama i nanocijevima. Senzori temeljeni na nanostrukturama uklopljenim u
unutrašnjost materijala. Nanomehanički senzori.
PIEZOELEKTRIČNI PRETVORNICI I SENZORI.
Fenomenologija. Piezoelektrični materijal. Termodinamičko motrište. Piezoelektrični senzori.
Piezoelektrični senzor za vodenu paru. Piezoelektrični senzor za sumorni dioksid. Piezoelektrični
senzor za amonijak. Piezoelektrični senzor za ugljikovodike. Piezoelektrični senzor za sumporovodik.
Piezoelektrični senzor za živine pare. Piezoelektrični senzor za ugljikov monoksid. Piezoelektrični
senzor za eksplozive. Piezoelektrični senzor za organofosforne spojeve. Uporaba piezoelektričnih
senzora u otopinama. Piezoelektrični senzori temeljeni na površinskom akustičkom valu.
SENZORI TEMPERATURE I TOPLINSKOGA TOKA.
Uvod. Senzori temperature temeljeni na električnoj vodljivosti tvari. Platinski otporni termometar.
Platinski otpornik kao senzor gorivih plinova. Termistori. Termistor kao kemijski senzor za glukozu.
Senzori temperature temeljeni na termoelektričnom učinku. Termoelektrični učinak. Seebeckov
učinak. Termopar. Senzori toplinskoga toka. Piroelektrični senzor za detekciju metana.
Ključne riječi:
Kontaktni potencijal Contact potential
Elektrodni potencijal Electrode potential
Miješani elektrodni potencijal Mixed potential
Standardni elektrodni potencijal Standard electrode potential
Analiza ubrizgavanjem u protok Flow injection analysis
Elektroliza Electrolysis
Elektroda, Electrode,
-kovinska -metal
-grafitna -graphite
-živina -mercury
-vodikova -hydrogen
-staklena -glas
-membranska -membrane
-redoks -redox
-kemijski modificirana -chemically modified
-interdigitna -interdigitated
-referentna -reference
-kalomelova -calomel
-radna -working
-rotirajuća -rotating
-pomoćna -auxiliary
-indikatorska -indicator
-mikro -micro
Potenciometrija Potentiometry
Potenciometrijski senzori Potentiometric sensors
Potenciometrijska titracija Potenciometric titration
Polarografija Polarography
Voltametrija Voltammetry

-ciklička -cyclic
-anodnog otapanja -anodic stripping
-katodnog otapanja -cathodic stripping
-otapanjem adsorbiranog sloja -adsorptive stripping
-impulsna pulse
-s izmjenični pravokutnim impulsom -square-wave
-uz prisilnu konvekciju -involving forced convection
Voltametrijski senzori Voltammetric sensors¸
Voltametrijski biosenzori Voltammetric biosensors
Analogni i digitalni elektronički sklopovi Analog and Digital Electronics
Operacijska pojačala Operational amplifiers
Potenciostat Potentiostat
Galvanostat Galvanostat
Analogno-digitalni pretvornici Analog-to-Digital Converters
Digitalno-analogni pretvornici Digital-to-Analog Converters
Elektrogravimetrija Electrogravimetry
Kulometrija Coulometry
Određivanje završne točke titracije Titration end-point determination
-potenciometrijski -potentiometric
-amperometrijski -amperomeric
Konduktometrija Conductometry
Konduktometrijska titracija Conductometric titration
Konduktometrijski senzori Conductometric sensors
Optička vlakna Optical fiber
Optički senzori Optical sensors
Nanosenzori Nanosensors
Piezoelektrični senzori Piezoelectric sensors
Senzori temperature Temperature sensors
-temeljeni na električnoj vodljivosti -based on electrical conductivity
-temeljeni na termoelektričnom učinku -based on thermoelectrical effect