حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک‌تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.
نانو حسگر وسیله ای است بسیار ظریف و در عین حال دقیق و حساس که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرکهای فیزیکی است. نانو حسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته اند. گستره عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتر است، به همین دلیل از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند؛ به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می‌دهند.
از نانو لوله‌ها، نانو ذرات فلزی و نانو ذرات مغناطیستی بیشتر برای ساخت حسگر استفاده می‌شود. نانو حسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل و نقل، ارتباطات، ساخت و ساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی، سلامتی، و دفاعی دارند.
اندازه گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز (نانو)، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه‌های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است. نانو حسگرهای از عناصر حسگری در مقیاس نانو استفاده می‌کنند که حساسیت این نوع از نانو مواد به حد کافی بالا می‌باشند. همچنین موادی که از نانو حسگرها ساخته می‌شوند بایستی دوام و استحکام بالا و خواص الکتریکی خوبی داشته باشند.
انواع نانو حسگرها
حسگرهای شیمیایی
این حسگرها می‌توانند در دمای اتاق غلظت‌های بسیار کوچکی از مولکول‌های گازی را با حساسیت بسیار بالا آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی گازی برای مثال شامل مجموعه‌ای از نانو لوله‌های تک دیواره هستند و می‌توانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن و آمونیاک را آشکار کنند. هدایت الکتریکی یک نانو لوله نیمه هادی تک دیواره که در مجاورت ppm 200 از دی اکسید نیتروژن قرار داده می‌شود، می‌تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% آمونیاک هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده از نانو لوله‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده و در دمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی در کاربردهای تشخیصی دارند.
حسگرهای سنتزی
این نانو حسگرها از طریق اتصال ذرات خاص به انتهای نانو لوله‌های کربنی و محاسبه فرکانس ارتعاشی در حضور یا بدون حضور ذرات تهیه می‌شوند. این نانو حسگرها اغلب برای شناسایی و کنترل واکنش‌های شیمیایی توسط ذرات نانو استفاده می‌شوند.
حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی شامل لایه حس کننده‌ای هستند که در اثر برهمکنش گونه شیمیایی (آنالیت) با این لایه، سیگنال الکتریکی ایجاد می‌شود. سپس این سیگنال تقویت و پردازش می‌شود. بنابراین عمل حسگرهای شیمیایی شامل دو مرحله اصلی است که عبارتند از: تشخیص و تقویت. به طور کلی وسیله‌ای که انجام این فرایند را بر عهده دارد، حسگر شیمیایی نامیده می‌شود. این وسیله اطلاعات مربوط به ترکیب شیمیایی محیط عمل خود را جمع آوری و به صورت سیگنال نوری یا الکتریکی به پردازشگر منتقل می‌کند. شکل زیر مکانیزم عمل یک حسگر شیمیایی را نشان می‌دهد. یک مثال عینی از این حسگرها در طبیعت، بینی انسان است که در آن با برخورد مولکول های مواد به سلول‌های عصبی، سیگنال عصبی تولید و سپس تقویت شده و به مغز ارسال می‌شود(شکل 1).
شکل 1: یک حسگر شیمیایی
به طور ایده آل یک حسگر شیمیایی مستقیماً در تماس با نمونه قرار می‌گیرد و نتایج مناسب را در زمان کم، دقت (Precision) و گزینش پذیری (Selectivity) بالا ارائه می‌کند. معمولاً حس می‌شود تا یک حسگر نیازی به نمونه¬برداری (Sampling)، رقیق سازی (Dilution)، افزایش واکنشگر (Reagent) و غیره نداشته باشد. سادگی استفاده از این حسگرها سبب شده است تا در زمینه‌های گوناگون از آنها استفاده شود. در شیمی بالینی، کنترل عوامل بیماری هایی نظیر دیابت، تشخیص و ردیابی گازهای خاص مانند اکسیژن و منوکسید کربن و غیره کاربرد دارند. همچنین از حسگرها برای تعیین میزان آلوده کننده‌های محیط زیست، کنترل و فرایند صنایع غذایی نیز استفاده می‌شود. از ویژگی‌های مهّم حسگرهای شیمیایی، امکان ساخت آنها در اندازه‌های بسیار کوچک است. این کوچک شدن امکان اندازه گیری گونه‌های مختلف را حتی در سلول‌های بدن موجودات زنده فراهم می‌کند.
انواع حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی را بر اساس مبدل به کار رفته برای تبدیل تغییر شیمیایی به یک سیگنال قابل پردازش، به چهار دسته تقسیم بندی می‌کنند: حسگرهای گرمایی، حسگرهای جرمی، حسگرهای الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرومتری، هدایت سنجی) و حسگرهای نوری.
حسگرهای گرمایی
گرما از ویژگی‌های عمومی واکنش‌های شیمیایی است. بر این اساس، یک فاکتور فیزیکی مناسب برای حسگری، تشخیص و اندازه گیری تغییرات دمای ایجاد شده در حین انجام یک واکنش است که متناسب با تغییرات غلظت آنالیت می‌باشد. برای این کار فقط مقدار جزئی از محلول، برای کنترل دما نیاز است. واکنش‌های آنزیمی از جمله واکنش هایی هستند که می‌توان به عنوان واکنش‌های شیمیایی انتخابی برای تولید گرما به کار برد. به همین دلیل در اکثر حسگرهای گرمایی از آنزیم‌ها برای عمل حسگری استفاده شده است. ترانزیستورهای آنزیمی به دسته‌ای از این نوع حسگرها گفته می‌شود که در آنها برای گرماسنجی از سیستم‌های میان جریانی استفاده شده است. در این سیستم‌ها واکنش آنزیمی در یک ستون حاوی واکنشگر آنزیمی اتفاق می‌افتد و گرمای خروجی در پایان ستون و در محل خروج جریان نمونه و محلول اندازه گیری می‌شود.
در ساخت حسگرهای گرمایی از دو نوع ردیاب گرمایی استفاده می‌شود. از بین این ردیاب‌ها، ترمیستور (Thermistor) معمول‌ترین آنها است که به علت قیمت ارزان، در-دسترس بودن، پایداری و حساسیت بالا کاربرد بیشتری دارد. پیروالکتریک ها (Pyroelectric) نوع دیگر مبدل‌های بکار رفته در حسگرهای گرمایی هستند که حساسیت بسیار بالایی برای حسگری گرمایی دارند. با استفاده از آنها می‌توان گرمای جذب شده توسط لایه گاز را ردیابی کرد. نوع دیگر حسگرهای گرمایی ریز حسگرهای زیستی ساخته شده از تراشه سیلیکونی هستند که حساسیت بیشتری نسبت به حسگرهای ترمیستور معمولی دارند. از جمله کاربردهای حسگرهای گرمایی می‌توان موارد زیر را نام برد: تعیین کلسترول، اندازه گیری خواص کاتالیزوری سل‌های تثبیت شده، کنترل فرایندهای زیستی، اندازه گیری آب در مواد غذایی(شکل 2).
شکل 2: یک حسگر گرمایی با لایه دوگانه،ML، لایه تغییر شکل دهنده مغناطیسی،GL و لایه چسب، CL
حسگرهای جرمی
از اندازه گیری تغییر جرم نیز همانند اندازه گیری گرمای حاصل از یک واکنش، می‌توان به عنوان معیار مناسبی برای حسگرهای شیمیایی استفاده نمود. این ویژگی را می‌توان برای واکنش هایی استفاده کرد که به دلیل خروج یک واکنشگر کاتالیستی انتخابی، تغییری در جرم خالص ایجاد می‌شود. این حسگرها دارای دو ویژگی مهّم هستند، اوّل این که از آنها می‌توان در فاز مایع استفاده کرد و دوم این که به دلیل کاربرد در فاز گازی و انتخابگری در این فاز، برای کاربردهای ایمنی سنجی استفاده می‌شوند.
دو نوع عمده از حسگرهای جرمی وجود دارند که در نوع اول از نوسانگرهای توده‌ای پیزوالکتریک (Piezoelectric)و در نوع دوم از امواج آکوستیک سطحی (Surface Acoustic Waves) استفاده می‌شود. به طور کلّی در ساخت نوسانگر می‌توان از کوارتز و پلی وینیل فلوریدین استفاده کرد.
کوارتز متداول‌ترین ماده‌ای است که برای نوسانگرهای توده‌ای مثل ریز ترازوی کریستال (Crystal Microbalance) بکار می‌رود. کوارتز دارای بلورهای نامتجانسی است که فاقد مرکز تقارن هستند و هنگامی که تحت تأثیر یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرند از نظر مکانیکی تغییر شکل می‌دهند. در نتیجه با استفاده از یک پتانسیل الکتریکی نوسان کننده، بلور به طور مکانیکی مرتعش می‌شود. هر بلور دارای یک فرکانس ارتعاشی رزونانس است که می‌تواند تحت تأثیر محیط خود تنظیم شود. فرکانس معمولی این ارتعاش در حدود MHz 10 می‌باشد. در عمل فرکانس ارتعاش یک بلور پیزوالکتریک متناسب با جرم بلور و سایر مواردی است که سطح بلور را می‌پوشانند. علاوه بر بلورهای کوارتز از مواد دیگری مثل پلی وینیل فلوریدین به صورت آرایه مجتمع نیز استفاده می‌شود. شمایی از یک حسگر جرمی در شکل زیر دیده می‌شود(شکل 3).
شکل 3: نمونه‌ای از یک حسگر جرمی نوع SAW
حسگرهای الکتروشیمیایی قدیمی‌ترین و بزرگ‌ترین گروه حسگرهای شیمیایی، حسگرهای الکتروشیمیایی هستند. پاسخ ایجاد شده در این حسگرها، از برهمکنش بین شیمی و الکتریسیته ناشی می‌شود .امروزه تعداد زیادی از این حسگرها به صورت تجاری ساخته و در بازار موجود می‌باشند و تعداد زیادی هم در مراحل توسعه هستند. حسگرهای الکتروشیمیایی را به سه دسته تقسیم می‌کنند: حسگرهای پتانسیومتری (اندازه گیری ولتاژ سل)، حسگرهای آمپرومتری (اندازه گیری جریان سل)، حسگرهای هدایت سنجی (اندازه گیری هدایت).
حسگرهای نوری شیمیایی
حسگرهای نوری شیمیایی از جمله جوان ترین حسگرهای شیمیایی هستند. دلایل متعددی برای توجه زیاد به این حسگرها وجود دار: وسایل نوری لازم جهت استفاده در این حسگرها قبلاً توسعه یافته‌اند و به راحتی قابل استفاده در حسگرهای شیمیایی می‌باشند. کاربرد زیادی برای کنترل فرایندها از راه دور دارند که کاربرد آنها را ایمن‌تر می‌کند. می‌توان آنها را در اندازه‌های کوچک ساخت و حتی در نوک یک فیبر نوری قرار داد. حسگرهای نوری شیمیایی مانند حسگرهای الکتروشیمیایی از دانش وسیع طیف‌سنجی (Spectroscopy) استفاده می‌کنند که به راحتی قابل تبدیل برای حسگرهای راه دور هستند. از حسگرهای نوری به صورت‌های مختلف نظیر اندازه گیری جذب، فلورسانس و لومینسانس در گستره وسیعی از طول موج‌ها استفاده می‌شود. حسگرهای نوری شیمیایی بر اساس کاربرد به دسته‌های متعدد تقسیم بندی می‌شوند، مانند: حسگرهای نوری ایمن شیمیایی(Immunosensor)، حسگرهایpH، حسگرهای نوری گازی، حسگرهای رطوبتی، حسگرهای نوری یونی، حسگرهای مورد استفاده در شیمی نفت.
Leave A Comment