حسگرهای شیمیایی

[*مینا*]

حسگرها (Sensors):

حسگرهای شیمیایی و حسگرهای زیستی از مورد علاقه ترین شاخه های شیمی تجزیه مدرن می باشند. این موضوع را می توان از روی حجم مطالعات انجام گرفته و همچنین تنوع روشها و تکنیکهای بکارگرفته شده در این زمینه، نتیجه گرفت. این امر خصوصا به خاطر مطالبات و نیازهای جدیدی است که در تشخیص های طبی، تجزیه های محیطی، تجزیه مواد غذایی و نظارت بر تولید برخی فرآورده ها به وجود آمده است. به عنوان نمونه حسگرها می توانند در تشخیص داروهای غیر مجاز، مواد سمی و عوامل جنگهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. کنترل عملکرد داروها در بدن، دیگر جنبه کاربردی حسگرهای زیستی است که در سالهای اخیر مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. در طراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف نظیر بیو شیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی (آلی، تجزیه، فیزیک و سطح) و شاخه های فیزیک (مکانیک، نور، ترمودینامیک) حضور دارند.
قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی، عنصرحسگر آن می باشد. عنصر حسگر در تماس با یک آشکارساز است. عنصر حسگر مسئول شناسایی و پیوند شدن با آنالیت هدف ( گونه مورد نظر) در یک نمونه پیچیده است. سپس آشکارساز، سیگنال های شیمیایی که در نتیجه پیوند شدن عنصر حسگر با آنالیت تولید شده اند، به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند.
زیست حسگرها بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیم ها، گیرنده ها (Receptor) یا کل سلول ها می توانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند. در حال حاضر می توان یک عنصر حسگر را برای آنالیت هایی
پیدا کرد که برای آنها گیرنده های طبیعی وجود ندارند تا با آنها پیوند شوند.

● ساختار کلی یک حسگر :

یک حسگر ایده آل باید خصوصیات زیر را داشته باشد :

1) سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان آنالیت مورد نظر باشد.
2) بسیار اختصاصی نسبت به آنالیت عمل کند.
3) قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.(حد تشخیص مناسب)
4) تکرار پذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5) سرعت پاسخ دهی سریعی داشته اشد (در حد میلی ثانیه)
6) گستره خطی دینامیکی مناسب
7) عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی نظیر دما، محیط شیمیایی ، pH و قدرت یونی محیط،
و ... .​

برای مولکول های آنالیت هدف کوچک نظیر یونهای معدنی، گیرندههای مصنوعی (سنتزی) اغلب می توانند از طریق طراحی مناسب و سنتزهای شیمیایی تهیه شوند. این موضوع ممکن است اگر آنالیت بزرگ باشد و یا مولکول خیلی پیچیده باشد، مشکلمی باشد. برای رفع این مشکل می توان از تکنیکهایی نظیر سنتز لیگاندهای تقلید کنندهزیستی برای پروتئین ها با استفاده از شیمی پیوندی یا ایجاد گیرنده های طراحی شدهبوسیله الگو برداری (Imprint) با آنالیت هدف کمک گرفت.


منبع : سایت آفتاب

 

[mitra212]

حسگرهای شیمیایی

سنسور های شیمیایی:

سنسورهای شیمیایی یکی از مدرن ترین و پیشرفته ترین روشها در الکتروشیمی تجزیه ای محسوب می شوند که اندازه گیری کمی گونه های مختلف را به صورت آنی ممکن می سازند. فناوری الکترونی و نوری موجود امروزه استفاده از این ابزارها را گسترده تر کرده است.
یک سنسور یا حسگر شیمیایی وسیلهاي است که اطلاعات پیوستهاي را در مورد خواص شیمیایی محیط اطرافش در اختیار میگذارد .

یک سنسور شیمیایی پاسخ خاصی را که بطور مستقیم با کمیت گونه شیمیایی بخصوصی مربوط است، تولید میکند. پس میتوان گفت که سنسورهای شیمیایی شامل یک لایه حس کننده هستند که در اثر برهم کنش با گونه شیمیایی (آنالیت) سیگنال الکتریکی ایجاد کرده که این سیگنال سپس تقویت و پردازش می شود. بنابراین، عمل سنسور شیمیایی شامل دو مرحله اصلی تشخیص و تقویت است. وسیله ای که این فرآیند را بر عهده دارد سنسور شیمیایی نامیده می شود. این وسیله اطلاعات مربوط به ترکیب شیمیایی محیط اطراف خود را جمع آوری و به سیگنال الکتریکی یا نوری به پردازشگر منتقل می کند.

انواع سنسورهای شیمیایی: سنسورهای شیمیایی را بر اساس مبدل به کار رفته برای تغییر شیمیایی به یک سیگنال قابل پردازش به چهار دسته حسگرهای گرمایی، حسگرهای جرمی، حسگرهای نوری وحسگرهای الکتروشیمیایی تقسیم بندی می کنند .

■سنسورهای گرمایی: گرما یکی از ویژگی های عمومی واکنش های شیمیایی است. بر این اساس یک فاکتور فیزیکی مناسب برای حسگری و تشخیص، اندازه گیری تغییرات ایجاد شده در حین انجام یک واکنش شیمیایی است که متناسب با تغییرات غلظت آنالیت میباشد.

■ سنسورهای جرمی: ازاندازه گیری تغییر جرم نیز مانند اندازه گیری گرمای حاصل از آزمایش می توان به عنوان معیار مناسب برای حسگری شیمیایی استفاده کرد. این ویژگی را می توان برای واکنشی استفاده کرد که به دلیل خروج یک گونه ی یک گونه واکنشگر کاتالیستی انتخابی ، تغییری در جرم خالص ایجاد می شود. این حسگرها دارای دو ویژگی مهم هستند: اول این که،می توان از آن ها درفاز مایع استفاده کرد و دوم این که، به دلیل کار در فاز گازی و انتخابگری در این فاز،برای کاربردهای ایمنی سنجی استفاده می شود. دو نوع عمده از حسگرهای جرمی وجود دارند که در نوع اول ازنوسانگرهای پیزو الکتریک توده ای و در نوع دوم از امواج صوتی سطحی استفاده می شود.

​

■ سنسورهای نوری: در این حسگرها برهمکنش بین لایه حس کننده و آنالیت یک سیگنال نوری ایجاد می کند که با اندازه گیری آنبه میزان غلظت آنالیت می توان پی برد. در این روش از اندازه گیری جذب، انعکاس، شکست، لومینسانس ویا سایر خصوصیات نوری استفاده می شود.

■ سنسورهای الکتروشیمیایی: قدیمی ترین و بزرگترین گروه حسگرهای شیمیایی، حسگرهای الکتروشیمیایی هستند. امروزه بسیاری از این حسگرها به صورت تجاری ساخته شده اند و در بازار موجود هستند،تعداد زیادی هم در مراحل توسعه هستند. در این حسگرها در نتیجه یک واکنش الکتروشیمیایی بین لایه تشخیص و آنالیت موجود در محلول سیگنال الکتریکی ایجاد شده این حسگرها را می توان به سه دسته تقسیم کرد:

1 . سنسورهای پتانسیومتری
2. سنسورهای آمپرومتری
3. سنسورهای هدایت سنجی

---

​

 

[fa7alveh]

نانو حسگر ها

نانو حسگر ها

نانوحسگرها

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند.

انواع نانو حسگرها:

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند:

.1استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:

نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

.2 استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها:

نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.

به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:
این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.

ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:

هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.
.3استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:

با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.
نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا:
یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینه ی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می باشد. غبارهای هوشمند مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعتها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند ازطریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شده اند که می توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت.
مبارزه با انتشار گازهای سمی:
انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متأسفانه هشدار دهنده‌های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسائی این‌گونه گازهای نشتی می‌شوند. نانوحس‌گرها که از نانوتیوب‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آنها هم‌چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‌اند که این حس‌گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.