حسگرهای شیمیایی از مورد علاقه ترین شاخه هادر شیمی تجزیه مدرن می باشند. این موضوع را می توان از روی حجم مطالعات انجام گرفته و همچنین تنوع روشهای به‌کارگرفته 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. 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 را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند.
1- مقدمه
حسگر شیمیایی یک دریافتگر حسی است که محرّک‌های شیمیایی خاصی را در محیط تشخیص می‌دهد.
استفاده از حسگرهای شیمیایی یکی از پیشرفته ترین روش ها در شیمی تجزیه محسوب می شود که اندازه گیری کمّی گونه های مختلف را به صورت آنی ممکن می سازد. فن آوری الکترونیکی و نوری موجود، این ابزارها را گسترده تر کرده است. درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز، سیگنال های شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی‌ها تکیه دارند. آنزیمها، گیرنده‌ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.
2- حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی شامل لایه حس کننده ای هستند که در اثر برهمکنش گونه شیمیایی (آنالیت) با این لایه، سیگنال الکتریکی ایجاد می شود. سپس این سیگنال تقویت و پردازش می شود. بنابراین عمل حسگرهای شیمیایی شامل دو مرحله اصلی است که عبارتند از: تشخیص و تقویت. به طور کلی وسیله ای که انجام این فرایند را بر عهده دارد، حسگر شیمیایی نامیده می شود. این وسیله اطلاعات مربوط به ترکیب شیمیایی محیط عمل خود را جمع آوری و به صورت سیگنال نوری یا الکتریکی به پردازشگر منتقل می کند. شکل 1 مکانیزم عمل یک حسگر شیمیایی را نشان می دهد. یک مثال عینی از این حسگرها در طبیعت، بینی انسان است که در آن با برخورد ملکول های مواد به سلول های عصبی، سیگنال عصبی تولید و سپس تقویت شده و به مغز ارسال می شود [1].
حسگر شیمیایی یک دریافتگر حسی است که محرّک‌های شیمیایی خاصی را در محیط تشخیص می‌دهد.
استفاده از حسگرهای شیمیایی یکی از پیشرفته ترین روش ها در شیمی تجزیه محسوب می شود که اندازه گیری کمّی گونه های مختلف را به صورت آنی ممکن می سازد. فن آوری الکترونیکی و نوری موجود، این ابزارها را گسترده تر کرده است. درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز، سیگنال های شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی‌ها تکیه دارند. آنزیمها، گیرنده‌ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.
2- حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی شامل لایه حس کننده ای هستند که در اثر برهمکنش گونه شیمیایی (آنالیت) با این لایه، سیگنال الکتریکی ایجاد می شود. سپس این سیگنال تقویت و پردازش می شود. بنابراین عمل حسگرهای شیمیایی شامل دو مرحله اصلی است که عبارتند از: تشخیص و تقویت. به طور کلی وسیله ای که انجام این فرایند را بر عهده دارد، حسگر شیمیایی نامیده می شود. این وسیله اطلاعات مربوط به ترکیب شیمیایی محیط عمل خود را جمع آوری و به صورت سیگنال نوری یا الکتریکی به پردازشگر منتقل می کند. شکل 1 مکانیزم عمل یک حسگر شیمیایی را نشان می دهد. یک مثال عینی از این حسگرها در طبیعت، بینی انسان است که در آن با برخورد ملکول های مواد به سلول های عصبی، سیگنال عصبی تولید و سپس تقویت شده و به مغز ارسال می شود [1].
شکل 1 - شمایی از یک حسگر شیمیایی[1].
به طور ایده آل یک حسگر شیمیایی مستقیماً در تماس با نمونه قرار می گیرد و نتایج مناسب را در زمان کم، دقت (Precision) و گزینش پذیری (Selectivity) بالا ارائه می کند. 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 زمینه های 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 کننده های محیط زیست، کنترل و فرایند صنایع غذایی نیز استفاده می شود.
از ویژگی های مهّم حسگرهای شیمیایی، امکان ساخت آنها در اندازه های بسیار کوچک است. این کوچک شدن امکان اندازه گیری گونه های مختلف را حتی در سلول های بدن موجودات زنده فراهم می¬کند.
1-2- انواع حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی را براساس مبدل به کار رفته برای تبدیل تغییر شیمیایی به یک سیگنال قابل پردازش، به چهار دسته تقسیم بندی می کنند: حسگرهای گرمایی، حسگرهای جرمی، حسگرهای الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرومتری، هدایت-سنجی) و حسگرهای نوری.
1-1-2- حسگرهای گرمایی
گرما از ویژگی های عمومی واکنش های 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 می باشد. برای این کار فقط مقدار جزئی از محلول، برای کنترل دما نیاز است. واکنش های آنزیمی از جمله واکنش هایی هستند که می توان به عنوان واکنش های شیمیایی انتخابی برای تولید گرما به کار برد. به همین دلیل در اکثر حسگرهای گرمایی از آنزیم ها برای عمل حسگری استفاده شده است. ترانزیستورهای آنزیمی به دسته ای از این نوع حسگرها گفته می شود که در آنها برای گرماسنجی از سیستم های میان جریانی استفاده شده است. در این سیستم ها واکنش آنزیمی در یک ستون حاوی واکنشگر آنزیمی اتفاق می افتد و گرمای خروجی در پایان ستون و در محل خروج جریان نمونه و محلول اندازه گیری می شود.
در ساخت حسگرهای گرمایی از دو نوع ردیاب گرمایی استفاده می شود. از بین این ردیاب ها، 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 مبدل های بکار رفته در حسگرهای گرمایی هستند که حساسیت بسیار بالایی برای حسگری گرمایی دارند. با استفاده از آنها می توان گرمای جذب شده توسط لایه گاز را ردیابی کرد. نوع دیگر حسگرهای گرمایی ریزحسگرهای زیستی ساخته شده از تراشه سیلیکونی هستند که حساسیت بیشتری نسبت به حسگرهای ترمیستور معمولی دارند. از جمله کاربردهای حسگرهای گرمایی می توان موارد زیر را نام برد: تعیین کلسترول، اندازه گیری خواص کاتالیزوری سل های تثبیت شده، کنترل فرایندهای زیستی، اندازه گیری آب در مواد غذایی. شکل 2 یک حسگر گرمایی را نشان می دهد [2].
از ویژگی های مهّم حسگرهای شیمیایی، امکان ساخت آنها در اندازه های بسیار کوچک است. این کوچک شدن امکان اندازه گیری گونه های مختلف را حتی در سلول های بدن موجودات زنده فراهم می¬کند.
1-2- انواع حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی را براساس مبدل به کار رفته برای تبدیل تغییر شیمیایی به یک سیگنال قابل پردازش، به چهار دسته تقسیم بندی می کنند: حسگرهای گرمایی، حسگرهای جرمی، حسگرهای الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرومتری، هدایت-سنجی) و حسگرهای نوری.
1-1-2- حسگرهای گرمایی
گرما از ویژگی های عمومی واکنش های 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 می باشد. برای این کار فقط مقدار جزئی از محلول، برای کنترل دما نیاز است. واکنش های آنزیمی از جمله واکنش هایی هستند که می توان به عنوان واکنش های شیمیایی انتخابی برای تولید گرما به کار برد. به همین دلیل در اکثر حسگرهای گرمایی از آنزیم ها برای عمل حسگری استفاده شده است. ترانزیستورهای آنزیمی به دسته ای از این نوع حسگرها گفته می شود که در آنها برای گرماسنجی از سیستم های میان جریانی استفاده شده است. در این سیستم ها واکنش آنزیمی در یک ستون حاوی واکنشگر آنزیمی اتفاق می افتد و گرمای خروجی در پایان ستون و در محل خروج جریان نمونه و محلول اندازه گیری می شود.
در ساخت حسگرهای گرمایی از دو نوع ردیاب گرمایی استفاده می شود. از بین این ردیاب ها، 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 مبدل های بکار رفته در حسگرهای گرمایی هستند که حساسیت بسیار بالایی برای حسگری گرمایی دارند. با استفاده از آنها می توان گرمای جذب شده توسط لایه گاز را ردیابی کرد. نوع دیگر حسگرهای گرمایی ریزحسگرهای زیستی ساخته شده از تراشه سیلیکونی هستند که حساسیت بیشتری نسبت به حسگرهای ترمیستور معمولی دارند. از جمله کاربردهای حسگرهای گرمایی می توان موارد زیر را نام برد: تعیین کلسترول، اندازه گیری خواص کاتالیزوری سل های تثبیت شده، کنترل فرایندهای زیستی، اندازه گیری آب در مواد غذایی. شکل 2 یک حسگر گرمایی را نشان می دهد [2].
شکل 2- یک حسگر گرمایی با لایه دوگانه،ML، لایه تغییر شکل دهنده مغناطیسی،GL و لایه چسب، CLو [2].
2-1-2- حسگرهای جرمی
از اندازه گیری تغییر جرم نیز همانند اندازه گیری گرمای حاصل از یک واکنش، می توان به عنوان معیار مناسبی برای حسگرهای شیمیایی استفاده نمود. این ویژگی را می توان برای واکنش هایی استفاده کرد که به دلیل خروج یک واکنشگر کاتالیستی انتخابی، تغییری در جرم خالص ایجاد می شود. این حسگرها دارای دو ویژگی مهّم هستند، اوّل این که از آنها می توان 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 می¬شوند.
دو نوع عمده از حسگرهای جرمی وجود دارند که در نوع اول از نوسانگرهای توده ای پیزوالکتریک (Piezoelectric) و در نوع دوم از امواج آکوستیک سطحی (Surface Acoustic Waves) استفاده می شود. به طور کلّی در ساخت نوسانگر می توان از کوارتز و پلی وینیل فلوریدین استفاده کرد. کوارتز متداول ترین ماده ای است که برای نوسانگرهای توده ای مثل ریزترازوی کریستال (Crystal Microbalance) بکار می رود. کوارتز دارای بلورهای نامتجانسی است که فاقد مرکز تقارن هستند و هنگامی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی قرار می گیرند از نظر مکانیکی تغییر شکل می دهند. در نتیجه با استفاده از یک پتانسیل الکتریکی نوسان کننده، بلور به طور مکانیکی مرتعش می شود. هر بلور دارای یک فرکانس ارتعاشی رزونانس است که می تواند تحت تأثیر محیط خود تنظیم شود. فرکانس معمولی این ارتعاش در حدود MHz 10 می باشد. در عمل فرکانس ارتعاش یک بلور پیزوالکتریک متناسب با جرم بلور و سایر مواردی است که سطح بلور را می پوشانند [3].
علاوه بر بلورهای کوارتز از مواد دیگری مثل پلی وینیل فلوریدین به صورت آرایه مجتمع نیز استفاده می شود. شمایی از یک حسگر جرمی در شکل 3 دیده می شود.
از اندازه گیری تغییر جرم نیز همانند اندازه گیری گرمای حاصل از یک واکنش، می توان به عنوان معیار مناسبی برای حسگرهای شیمیایی استفاده نمود. این ویژگی را می توان برای واکنش هایی استفاده کرد که به دلیل خروج یک واکنشگر کاتالیستی انتخابی، تغییری در جرم خالص ایجاد می شود. این حسگرها دارای دو ویژگی مهّم هستند، اوّل این که از آنها می توان 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 می¬شوند.
دو نوع عمده از حسگرهای جرمی وجود دارند که در نوع اول از نوسانگرهای توده ای پیزوالکتریک (Piezoelectric) و در نوع دوم از امواج آکوستیک سطحی (Surface Acoustic Waves) استفاده می شود. به طور کلّی در ساخت نوسانگر می توان از کوارتز و پلی وینیل فلوریدین استفاده کرد. کوارتز متداول ترین ماده ای است که برای نوسانگرهای توده ای مثل ریزترازوی کریستال (Crystal Microbalance) بکار می رود. کوارتز دارای بلورهای نامتجانسی است که فاقد مرکز تقارن هستند و هنگامی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی قرار می گیرند از نظر مکانیکی تغییر شکل می دهند. در نتیجه با استفاده از یک پتانسیل الکتریکی نوسان کننده، بلور به طور مکانیکی مرتعش می شود. هر بلور دارای یک فرکانس ارتعاشی رزونانس است که می تواند تحت تأثیر محیط خود تنظیم شود. فرکانس معمولی این ارتعاش در حدود MHz 10 می باشد. در عمل فرکانس ارتعاش یک بلور پیزوالکتریک متناسب با جرم بلور و سایر مواردی است که سطح بلور را می پوشانند [3].
علاوه بر بلورهای کوارتز از مواد دیگری مثل پلی وینیل فلوریدین به صورت آرایه مجتمع نیز استفاده می شود. شمایی از یک حسگر جرمی در شکل 3 دیده می شود.
شکل 3 - نمونه ای از یک حسگر جرمی نوع SAWو [3].
3-1-2- حسگرهای الکتروشیمیایی
قدیمی ترین و بزرگترین گروه حسگرهای شیمیایی، حسگرهای الکتروشیمیایی هستند. پاسخ ایجاد شده در این حسگرها، از برهمکنش بین شیمی و الکتریسیته ناشی می شود. امروزه تعداد زیادی از این حسگرها به صورت تجاری ساخته و در بازار موجود می باشند و تعداد زیادی هم در مراحل توسعه هستند.
حسگرهای الکتروشیمیایی را به سه دسته تقسیم می کنند:
حسگرهای پتانسیومتری (اندازه گیری ولتاژ سل)، حسگرهای آمپرومتری (اندازه گیری جریان سل)، حسگرهای هدایت سنجی (اندازه گیری هدایت).
4-1-2- حسگرهای نوری شیمیایی
حسگرهای نوری شیمیایی از جمله جوان ترین حسگرهای شیمیایی هستند. دلایل متعددی برای توجه زیاد به این حسگرها وجود دارد :
وسایل نوری لازم جهت استفاده در این حسگرها قبلاً توسعه یافته اند و به راحتی قابل استفاده در حسگرهای شیمیایی می باشند. کاربرد زیادی برای کنترل فرایندها از راه دور دارند که کاربرد آنها را ایمن تر می کند. می توان آنها را در اندازه های کوچک ساخت و حتی در نوک یک فیبر نوری قرار داد.
حسگرهای نوری شیمیایی مانند حسگرهای الکتروشیمیایی از دانش وسیع طیف‌سنجی (Spectroscopy) استفاده می کنند که به راحتی قابل تبدیل برای حسگرهای راه دور هستند. از حسگرهای نوری به صورت های مختلف نظیر اندازه گیری جذب، فلورسانس و لومینسانس در گستره وسیعی از طول موج ها استفاده می شود.
حسگرهای نوری شیمیایی براساس کاربرد به دسته های متعدد تقسیم بندی می شوند، مانند: حسگرهای نوری ایمن شیمیایی (Immunosensor)، حسگرهای pH، حسگرهای نوری گازی، حسگرهای رطوبتی، حسگرهای نوری یونی، حسگرهای مورد استفاده در شیمی نفت [6].
3- مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها
مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها را می توان به دو دسته کلاسیک و پلیمر تقسیم-بندی کرد.
1-3- مواد کلاسیک
اساس کار حسگرهای حالت جامد (Solid State) پاسخ الکتریکی به محیط شیمیایی است. به عنوان مثال خواص الکتریکی با حضور فاز مایع یا گاز تغییر می کند. این تغییرات برای تشخیص گونه های شیمیایی به کار می رود. اگرچه حسگرهای شیمیایی سیلیکونی مثل (Field Effect Transistor- FET) توسعه یافته اند، اما قیمت و تکنولوژی مورد نیاز برای ساخت آنها و نیز مشکلاتی نظیر تکرارپذیری، پایداری، حساسیت و انتخابگری، باعث شده است تا کاربرد آنها همچنان محدود باشد. حسگرهای نیمه رسانای اکسید فلزی مانند پودرهای فشرده و فیلم های نازک SnO2 اثر فعالسازی کاتالیستی نیز دارند. جدول (1) فهرستی از مواد مورد استفاده در انواع حسگرها را نشان می دهد [4].
قدیمی ترین و بزرگترین گروه حسگرهای شیمیایی، حسگرهای الکتروشیمیایی هستند. پاسخ ایجاد شده در این حسگرها، از برهمکنش بین شیمی و الکتریسیته ناشی می شود. امروزه تعداد زیادی از این حسگرها به صورت تجاری ساخته و در بازار موجود می باشند و تعداد زیادی هم در مراحل توسعه هستند.
حسگرهای الکتروشیمیایی را به سه دسته تقسیم می کنند:
حسگرهای پتانسیومتری (اندازه گیری ولتاژ سل)، حسگرهای آمپرومتری (اندازه گیری جریان سل)، حسگرهای هدایت سنجی (اندازه گیری هدایت).
4-1-2- حسگرهای نوری شیمیایی
حسگرهای نوری شیمیایی از جمله جوان ترین حسگرهای شیمیایی هستند. دلایل متعددی برای توجه زیاد به این حسگرها وجود دارد :
وسایل نوری لازم جهت استفاده در این حسگرها قبلاً توسعه یافته اند و به راحتی قابل استفاده در حسگرهای شیمیایی می باشند. کاربرد زیادی برای کنترل فرایندها از راه دور دارند که کاربرد آنها را ایمن تر می کند. می توان آنها را در اندازه های کوچک ساخت و حتی در نوک یک فیبر نوری قرار داد.
حسگرهای نوری شیمیایی مانند حسگرهای الکتروشیمیایی از دانش وسیع طیف‌سنجی (Spectroscopy) استفاده می کنند که به راحتی قابل تبدیل برای حسگرهای راه دور هستند. از حسگرهای نوری به صورت های مختلف نظیر اندازه گیری جذب، فلورسانس و لومینسانس در گستره وسیعی از طول موج ها استفاده می شود.
حسگرهای نوری شیمیایی براساس کاربرد به دسته های متعدد تقسیم بندی می شوند، مانند: حسگرهای نوری ایمن شیمیایی (Immunosensor)، حسگرهای pH، حسگرهای نوری گازی، حسگرهای رطوبتی، حسگرهای نوری یونی، حسگرهای مورد استفاده در شیمی نفت [6].
3- مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها
مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها را می توان به دو دسته کلاسیک و پلیمر تقسیم-بندی کرد.
1-3- مواد کلاسیک
اساس کار حسگرهای حالت جامد (Solid State) پاسخ الکتریکی به محیط شیمیایی است. به عنوان مثال خواص الکتریکی با حضور فاز مایع یا گاز تغییر می کند. این تغییرات برای تشخیص گونه های شیمیایی به کار می رود. اگرچه حسگرهای شیمیایی سیلیکونی مثل (Field Effect Transistor- FET) توسعه یافته اند، اما قیمت و تکنولوژی مورد نیاز برای ساخت آنها و نیز مشکلاتی نظیر تکرارپذیری، پایداری، حساسیت و انتخابگری، باعث شده است تا کاربرد آنها همچنان محدود باشد. حسگرهای نیمه رسانای اکسید فلزی مانند پودرهای فشرده و فیلم های نازک SnO2 اثر فعالسازی کاتالیستی نیز دارند. جدول (1) فهرستی از مواد مورد استفاده در انواع حسگرها را نشان می دهد [4].
جدول 1- فهرستی از مواد مورد استفاده در انواع حسگرها [4].
2-3- پلیمرها
مواد پلیمری در دهه گذشته به میزان بسیار وسیعی در زمینه تکنولوژی ساخت حسگرها به کار برده شده اند. این مواد مزایای زیادی را برای کاربرد در ساخت حسگرها دارا می باشند که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پلیمرها را می توان بر روی انواع مختلفی از بسترها نشاند.
- برخی از گونه های شیمیایی را می توان به صورت شیمیایی بر روی بسترهای پلیمری نشاند و میزان نشت واکنشگر را درون محلول نمونه کاهش داد.
- تنوع پلیمرها از نظر ویژگی های ساختاری نظیر دارا بودن زنجیرهای جانبی و یا باردار بورن یا خنثی بودن ذرات و غیره که باعث ایجاد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مناسب برای حسگری می شود.
- امکان انحلال و یا پراکندگی کاملاً یکنواخت شناساگر شیمیایی در بافت پلیمر مهیّا می باشد.
- پایداری مکانیکی پلیمرها امکان استفاده درازمدت از حسگر و ایجاد پایداری بالای آنرا سبب می¬شود. - ساختار پلیمر در برخی موارد باعث بهبود خواصی مانند انتخابگری و حساسیت می شود.
- پلیمرها مواد نسبتاً ارزان قیمتی هستند و تکنیک های ساخت آنها ساده و راحت می باشد و به شرایط خاص و ویژه ای نیاز ندارد. در مواردی حتی در شرایط عادی آزمایشگاه، پلیمریزاسیون لازم برای ساخت یک لایه حسگر انجام می شود.
پلیمرها و مواد مناسب برای ساخت حسگرها باید تعدادی ویژگی خاص داشته باشند که عبارتند از:
حلالیت شناساگر در بافت پلیمر
طول عمر مناسب
عدم بلوری شدن یا مهاجرت و یا جهت گیری مجدد گونه ها
نداشتن اثر کهولت و استهلاک
پایداری در مقابل مواد شیمیایی مثل اسیدها، بازها و اکسنده¬ها
شفافیت در مقابل نور
زیست‌سازگاری (سمی نبودن مواد)
نداشتن رنگ یا لومینسانس ذاتی (در کاربرد به عنوان زمینه)
در ساخت چنین حسگرهایی از یک بافت پلیمری استفاده می شود. یک ترکیب دارای خواص نوری به عنوان ماده حس کننده در داخل زمینه پلیمر (حسگر توده ای) و یا در روی سطح آن (حسگر سطحی) تثبیت می شود. لذا پلیمر تنها نقش نگه دارنده واکنش گر و یا یک بستر جامد را به عهده دارد. لازم به ذکر است که در این حسگرها، غشاء پلیمری به کار رفته علاوه بر نگه داشتن شناساگر در یک مکان مشخص و ثابت، نقش های دیگری نیز بر عهده دارد. خواص نفوذپذیری غشاء می تواند سبب دفع سایر گونه ها یا یون هایی شود که به عنوان مزاحم محسوب می شوند. به عنوان مثال از غشاءهای آب گریز به منظور دفع مواد غیرفرار در حسگرهایی که برای اندازه گیری غلظت گازها در آب به کار می روند، استفاده می شود.
4- نتیجه گیری
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.
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.
حسگرهای شیمیایی، نانوحسگرها و حسگرهای زیستی از مورد علاقه ترین شاخه های شیمی می باشند. این موضوع را می توان از روی حجم مطالعات انجام گرفته و همچنین تنوع روشهای 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.
مواد پلیمری در دهه گذشته به میزان بسیار وسیعی در زمینه تکنولوژی ساخت حسگرها به کار برده شده اند. این مواد مزایای زیادی را برای کاربرد در ساخت حسگرها دارا می باشند که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پلیمرها را می توان بر روی انواع مختلفی از بسترها نشاند.
- برخی از گونه های شیمیایی را می توان به صورت شیمیایی بر روی بسترهای پلیمری نشاند و میزان نشت واکنشگر را درون محلول نمونه کاهش داد.
- تنوع پلیمرها از نظر ویژگی های ساختاری نظیر دارا بودن زنجیرهای جانبی و یا باردار بورن یا خنثی بودن ذرات و غیره که باعث ایجاد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مناسب برای حسگری می شود.
- امکان انحلال و یا پراکندگی کاملاً یکنواخت شناساگر شیمیایی در بافت پلیمر مهیّا می باشد.
- پایداری مکانیکی پلیمرها امکان استفاده درازمدت از حسگر و ایجاد پایداری بالای آنرا سبب می¬شود. - ساختار پلیمر در برخی موارد باعث بهبود خواصی مانند انتخابگری و حساسیت می شود.
- پلیمرها مواد نسبتاً ارزان قیمتی هستند و تکنیک های ساخت آنها ساده و راحت می باشد و به شرایط خاص و ویژه ای نیاز ندارد. در مواردی حتی در شرایط عادی آزمایشگاه، پلیمریزاسیون لازم برای ساخت یک لایه حسگر انجام می شود.
پلیمرها و مواد مناسب برای ساخت حسگرها باید تعدادی ویژگی خاص داشته باشند که عبارتند از:
حلالیت شناساگر در بافت پلیمر
طول عمر مناسب
عدم بلوری شدن یا مهاجرت و یا جهت گیری مجدد گونه ها
نداشتن اثر کهولت و استهلاک
پایداری در مقابل مواد شیمیایی مثل اسیدها، بازها و اکسنده¬ها
شفافیت در مقابل نور
زیست‌سازگاری (سمی نبودن مواد)
نداشتن رنگ یا لومینسانس ذاتی (در کاربرد به عنوان زمینه)
در ساخت چنین حسگرهایی از یک بافت پلیمری استفاده می شود. یک ترکیب دارای خواص نوری به عنوان ماده حس کننده در داخل زمینه پلیمر (حسگر توده ای) و یا در روی سطح آن (حسگر سطحی) تثبیت می شود. لذا پلیمر تنها نقش نگه دارنده واکنش گر و یا یک بستر جامد را به عهده دارد. لازم به ذکر است که در این حسگرها، غشاء پلیمری به کار رفته علاوه بر نگه داشتن شناساگر در یک مکان مشخص و ثابت، نقش های دیگری نیز بر عهده دارد. خواص نفوذپذیری غشاء می تواند سبب دفع سایر گونه ها یا یون هایی شود که به عنوان مزاحم محسوب می شوند. به عنوان مثال از غشاءهای آب گریز به منظور دفع مواد غیرفرار در حسگرهایی که برای اندازه گیری غلظت گازها در آب به کار می روند، استفاده می شود.
4- نتیجه گیری
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.
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.
حسگرهای شیمیایی، نانوحسگرها و حسگرهای زیستی از مورد علاقه ترین شاخه های شیمی می باشند. این موضوع را می توان از روی حجم مطالعات انجام گرفته و همچنین تنوع روشهای 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.
منابـــــع :
- 1. Janata, J., Bezegh, A." Chemical sensors", Analitical. Chemistry,Vol.60, pp.62R-74R,(1988).
- 2. Kaniusas, E., Mehner, L. J. "Optimisation of sensitivity and time constant of thermal sensors based on magnetoelastic amorphous bilayers", Alloy & Compounds, Vol.369, pp.198, (2004).
- 3. Adhikari, B., Majumdar, S." Polymers in sensor applications", Progress in polymer Science, Vol.29, pp.699-766 (2004).
- 4. Madou, M. J., Morrison, S. R. "Chemical Sensing with Solid State Devicies", Academic press, London, (1989).
- 5. Gauglitz, G., Brecht, G., Krause, G., Nahm, W. "Chemical and biochemical sensors based on interferometry at thin (multi) layers", Sensors and Actuators B, Vol.11, pp.21-27, (1993).
- 6. Hisamoto, H., Suzuki, K. “Ion-selective optides: current developments and future prospects”, Trends Analitical. Chemistry, Vol.18, pp.513–524 (1999).