Χημικός αισθητήρας: Δομή, κύκλωμα, εργασία, τύποι, εναντίον βιοαισθητήρα και οι εφαρμογές του

Ιδανικό χημικό Αισθητήρες είναι φορητές, φθηνές και αλάνθαστες συσκευές που αντιδρούν με ιδανική και άμεση επιλεκτικότητα σε μια συγκεκριμένη αναλυόμενη ουσία σε οποιοδήποτε προτιμώμενο μέσο για να παράγουν ένα μετρήσιμο σήμα εξόδου σε οποιαδήποτε απαιτούμενη συγκέντρωση αναλυόμενης ουσίας. Γενικά, αυτοί οι αισθητήρες είναι συσκευές (ή) όργανα που αποφασίζουν τη συγκέντρωση, την ανιχνεύσιμη παρουσία (ή την ποσότητα της αναλυόμενης ουσίας). Η πολυπλοκότητα εφαρμογής του χημικού αισθητήρα συνδέεται με τις τεχνικές πολυπλοκότητες που συνδέονται με αυτούς τους προσδιορισμούς και την ειδική φύση του χημικού υλικού που πρόκειται να αναλυθεί. Οι πτυχές επιλεκτικότητας και ευαισθησίας της χημικής ανίχνευσης μπορούν να επηρεαστούν από τις διαστάσεις, τη φάση και τις χρονικές πτυχές του προτιμώμενου προσδιορισμού. Η αναλυόμενη ουσία μπορεί να είναι διαθέσιμη σε υγρή ή στερεή φάση σε διαφορετικές κλίμακες διαστάσεων που κυμαίνονται από χύμα λίτρα έως πικολίτρα. Αυτό το άρθρο παρέχει σύντομες πληροφορίες για α χημικός αισθητήρας , τη λειτουργία του και τις εφαρμογές του.

Τι είναι ο χημικός αισθητήρας;

Ένας αισθητήρας που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση και την ανίχνευση χημικών ποσοτήτων εντός μιας αναλυόμενης ουσίας (σύνθεση, ύπαρξη συγκεκριμένου στοιχείου (ή ιόντος, χημική δραστηριότητα, συγκέντρωση) για τη μετατροπή του σε ηλεκτρονικά δεδομένα είναι γνωστός ως χημικός αισθητήρας. Αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται κυρίως σε μυριάδες εφαρμογές που περιλαμβάνουν συστήματα ανίχνευσης στο σπίτι, ιατρική, νανοτεχνολογία και αυτοκίνητα.

Δομή χημικού αισθητήρα

Η δομή του χημικού αισθητήρα φαίνεται παρακάτω. Αυτός ο αισθητήρας είναι κατασκευασμένος με δύο σημαντικά στοιχεία. τον υποδοχέα ή το αισθητήριο υλικό & τον μορφοτροπέα. Το αισθητήριο υλικό αλληλεπιδρά με την αναλυόμενη ουσία στόχο με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με τον τύπο του αισθητήρα. Το αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης είναι ο μετασχηματισμός μιας ιδιότητας υλικού όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μάζα.

Το επόμενο στοιχείο αυτού του αισθητήρα είναι το μετατροπέας , το οποίο είναι υπεύθυνο για τη λήψη των χημικών δεδομένων της αλληλεπίδρασης μεταξύ του υποδοχέα και της αναλυόμενης ουσίας και τη μετατροπή τους σε ηλεκτρονικό σήμα. Μετά από αυτό, αυτά τα δεδομένα δίνονται σε έναν υπολογιστή (ή) σε ένα μηχανικό εξάρτημα.

Ο χημικός αισθητήρας λειτουργεί με βάση την αρχή της ηλεκτροχημικής αντίδρασης για να μετατρέψει τη σύνθεση και τη συγκέντρωση οργανικών και ανόργανων χημικών ενώσεων σε ηλεκτρικά σήματα.

Κύκλωμα χημικού αισθητήρα και η λειτουργία του

Αυτό το κύκλωμα περιγράφει πώς λειτουργεί ο αισθητήρας μονοξειδίου του άνθρακα. Αυτός ο αισθητήρας έχει τρία ηλεκτρόδια που είναι βυθισμένα μέσα σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη. Αυτά τα τρία ηλεκτρόδια είναι κυρίως το ηλεκτρόδιο εργασίας, το αντίθετο ηλεκτρόδιο και το ηλεκτρόδιο αναφοράς, αλλά το πιο σημαντικό ηλεκτρόδιο είναι το ηλεκτρόδιο εργασίας. Αυτό το ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από πλατίνα που είναι ένα καταλυτικό μέταλλο προς μονοξείδιο του άνθρακα που υποστηρίζεται από μια διαπερατή από αέρια αν και υδρόφοβη μεμβράνη. Το αέριο μονοξείδιο του άνθρακα διαχέεται μέσα από την πορώδη μεμβράνη και οξειδώνεται ηλεκτροχημικά.

Τα ηλεκτρόνια που εμπλέκονται στη ροή της ηλεκτροχημικής αντίδρασης από το ηλεκτρόδιο παράγουν το σήμα εξόδου του αισθητήρα. Το ηλεκτρόδιο αναφοράς παρέχει ένα σταθερό ηλεκτροχημικό δυναμικό εντός του ηλεκτρολύτη. Αυτό το ηλεκτρόδιο προστατεύεται απλώς από την έκθεση σε αέριο μονοξείδιο του άνθρακα, επομένως, το θερμοδυναμικό του δυναμικό είναι πάντα παρόμοιο και παραμένει σταθερό. Επιπλέον, δεν επιτρέπεται να ρέει ρεύμα σε όλο το ηλεκτρόδιο αναφοράς. Παρέχεται αντί-ηλεκτρόδιο για την ολοκλήρωση του ηλεκτροχημικού κυκλώματος του στοιχείου.

Αυτό το ηλεκτρόδιο λειτουργεί μόνο ως το δεύτερο μισό στοιχείο και αφήνει τα ηλεκτρόνια να εισέλθουν ή να απομακρύνονται από τον ηλεκτρολύτη. Το παρακάτω κύκλωμα ελέγχει το δυναμικό του ηλεκτροδίου εργασίας και αλλάζει το ρεύμα του σήματος σε μια τάση που είναι γνωστή ως ποτενσιοστάτης. Το ρεύμα από το WE (ηλεκτρόδιο εργασίας) αλλάζει σε τάση μέσω του ενισχυτή λειτουργίας U2. Έτσι αυτό το κύκλωμα διατηρεί την τάση του ηλεκτροδίου εργασίας στο δυναμικό πόλωσης (Vbias). Το δυναμικό RE (ηλεκτρόδιο αναφοράς) συγκρίνεται με τη σταθερή τάση εισόδου (Vbias). Ο ενισχυτής U1 στο κύκλωμα παράγει μια τάση στο CE (αντιηλεκτρόδιο) η οποία είναι επαρκής για τη δημιουργία ρεύματος που είναι ακριβώς ισοδύναμο και αντίστροφο με το ρεύμα του ηλεκτροδίου εργασίας. Ταυτόχρονα, μπορεί να διατηρηθεί μια σταθερή τάση μεταξύ του ηλεκτροδίου εργασίας και του ηλεκτροδίου αναφοράς.

Ο αισθητήρας μονοξειδίου του άνθρακα είναι επίσης εξοπλισμένος μέσω ενός χημικά επιλεκτικού φίλτρου το οποίο εξαλείφει τα πιθανά αέρια που παρεμβάλλονται πριν φτάσουν στο ηλεκτρόδιο εργασίας. Εάν το χημικά επιλεκτικό φίλτρο λειτουργεί σωστά, ο χημικός αισθητήρας θα έχει μικρότερη απόκριση στα παρεμβαλλόμενα αέρια. Η τεχνολογία που εξηγείται παραπάνω μπορεί να τροποποιηθεί για να παρέχει αισθητήρες που αντιδρούν στα διάφορα αέρια. Έτσι αυτό μπορεί να επιτευχθεί με διαφορετικά ηλεκτρόδια εργασίας, χημικά επιλεκτικά δυναμικά πόλωσης φίλτρων.

Χημικοί τύποι αισθητήρων

Υπάρχουν διάφοροι τύποι χημικών αισθητήρων που αναλύονται παρακάτω.

Αναπνευστικό

Ο αλκοτέστ είναι ένας χημικός αισθητήρας που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του BAC (περιεκτικότητας αλκοόλ στο αίμα) από ένα δείγμα αναπνοής. Κάθε φορά που οι άνθρωποι πίνουν αλκοόλ, τότε εκπνέουν κάποια ποσότητα μορίων αλκοόλ που είναι ευθέως ανάλογη με την ποσότητα που πίνουν. Έτσι, αυτός ο αισθητήρας έχει σχεδιαστεί ειδικά για να μετράει συχνά το BAC ενός ατόμου για να αποφασίσει εάν οδηγεί ένα όχημα με ασφάλεια ή όχι. Μόλις τα μόρια της αλκοόλης αλληλεπιδράσουν μέσω του υποδοχέα, τότε συναντούν μια ακόμη χημική ουσία που περικλείεται στον υποδοχέα όπως το θειικό οξύ, ο νιτρικός άργυρος, το νερό και το διχρωμικό κάλιο. Όταν αναγνωριστεί η χημική ανομοιότητα μεταξύ των δύο θαλάμων, μπορεί να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό σήμα και να υποδειχθεί μέσω της βελόνας ή της οθόνης του.

Αισθητήρας διοξειδίου του άνθρακα

Ένας αισθητήρας διοξειδίου του άνθρακα είναι επίσης γνωστός ως α Αισθητήρας CO2 που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του αερίου CO2. Οι κοινές αρχές για αυτόν τον αισθητήρα είναι αισθητήρες υπέρυθρων αερίων και αισθητήρες χημικών αερίων. Έτσι, η μέτρηση του αερίου CO2 είναι σημαντική για την παρατήρηση της ποιότητας του εσωτερικού αέρα, της λειτουργίας του πνεύμονα στη μορφή της συσκευής καπνογράφου και διαφόρων βιομηχανικών περιοχών.

Ανιχνευτής μονοξειδίου του άνθρακα

Ένας ανιχνευτής μονοξειδίου του άνθρακα είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της παρουσίας αερίου CO για να αποφευχθεί η δηλητηρίαση από μονοξείδιο του άνθρακα. Το αέριο μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο που παράγεται από μερική ανάφλεξη υλικών που περιέχουν άνθρακα. Τα υψηλά επίπεδα αυτού του αερίου μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνα για τον άνθρωπο με βάση την παρούσα ποσότητα και τη διάρκεια έκθεσης. Αυτοί οι ανιχνευτές έχουν σχεδιαστεί κυρίως για να μετρούν τελικά τα επίπεδα CO και να δίνουν συναγερμό πριν συσσωρευτούν επικίνδυνα επίπεδα CO στο περιβάλλον, παρέχοντας στους ανθρώπους επαρκή προειδοποίηση για να φρεσκάρουν με ασφάλεια την περιοχή ή να φύγουν.

Ηλεκτρονική μύτη

Ενα ηλεκτρονική μύτη ή e-nose είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση γεύσεων ή οσμών. Αυτό είναι ικανό να αναπαράγει ανθρώπινες αισθήσεις με συστοιχίες αισθητήρων και συστήματα αναγνώρισης προτύπων. Έτσι, τα στάδια της διαδικασίας αναγνώρισης σχετίζονται με την ανθρώπινη όσφρηση και εκτελούνται για σύγκριση, ταυτοποίηση, ποσοτικοποίηση και άλλες εφαρμογές όπως. αποθήκευση και ανάκτηση δεδομένων. Τα στάδια της διαδικασίας αναγνώρισης είναι παρόμοια με την ανθρώπινη όσφρηση και εκτελούνται για αναγνώριση, σύγκριση, ποσοτικοποίηση και άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης και ανάκτησης δεδομένων.

Αισθητήρας Nanorod οξειδίου ψευδαργύρου

Ο αισθητήρας νανοράβδου οξειδίου του ψευδαργύρου (αισθητήρας nanorod ZnO) είναι μια οπτική ή ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της παρουσίας υγρών μορίων ή ορισμένων αερίων στην ατμόσφαιρα του περιβάλλοντος. Αυτός ο χημικός αισθητήρας χρησιμοποιεί βελτιωμένη επιφάνεια για όλα τα υλικά νανομεγέθους όπως οι νανοράβδοι ZnO. Η απορρόφηση μορίων στις νανοράβδους μπορεί να ανιχνευθεί μέσω διαφορών στις ιδιότητες των νανοράβδων, όπως η φωτοφωταύγεια, η συχνότητα δόνησης, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η μάζα κ.λπ. αέριο.

Ποτενσιομετρικός αισθητήρας

Ο ποτενσιομετρικός αισθητήρας είναι ένα είδος χημικού αισθητήρα που χρησιμοποιείται για να εντοπίσει την αναλυτική συγκέντρωση ορισμένων συστατικών στο διάλυμα (ή) του αναλυόμενου αερίου. Αυτός ο αισθητήρας μετρά το ηλεκτρικό δυναμικό ενός ηλεκτροδίου όταν δεν υπάρχει τάση. Αυτός ο αισθητήρας έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως η απλότητα και η οικονομική απόδοση σε σύγκριση με τα συμβατικά όργανα ανάλυσης. Έτσι, αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορους τομείς όπως τα τρόφιμα, η υγειονομική περίθαλψη, η γεωργία, η παρακολούθηση της ποιότητας των τροφίμων, η παρακολούθηση της ποιότητας του νερού, η παρακολούθηση της υγείας, η παρακολούθηση του περιβάλλοντος κ.λπ.

Αισθητήρας Υδρογόνου

Ένας αισθητήρας υδρογόνου είναι ένας τύπος αισθητήρα. χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της παρουσίας αερίου υδρογόνου σε διάφορα πεδία. Αυτοί οι αισθητήρες είναι χαμηλού κόστους, ανθεκτικοί, συμπαγείς και πολύ απλοί στη συντήρηση σε σύγκριση με άλλους αισθητήρες αερίου. Το υδρογόνο είναι άχρωμο, άγευστο και άοσμο αέριο. Αυτός ο αισθητήρας πρέπει να χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της περιεκτικότητας σε υδρογόνο στο περιβάλλον και την παρακολούθηση της διαρροής αερίου. Αυτός ο αισθητήρας χρησιμοποιείται σε ανιχνευτές αερίου υδρογόνου για την ανίχνευση διαρροών αερίου.

Αισθητήρας φθορισμού χλωρίου

Ο αισθητήρας φθορισμού χλωριδίου είναι ένας τύπος χημικού αισθητήρα που χρησιμοποιείται για χημική ανάλυση, για τη μέτρηση της μεταφοράς χλωρίου στις κυτταρικές μεμβράνες για τη ρύθμιση του όγκου των κυττάρων, της ισορροπίας φορτίου, της διεγερσιμότητας της μεμβράνης και του δυναμικού ηρεμίας. Αυτά χρησιμοποιούνται επίσης κυρίως για τη διάγνωση της κυστικής ίνωσης. Οι ανακαλύψεις συμμετοχής χλωριδίου (Cl−) στις φυσιολογικές διεργασίες διεγείρουν τις ενδοκυτταρικές μετρήσεις Cl− εντός ζωντανών κυττάρων και την ανάπτυξη εργαλείων φθορισμού.

Διαφορά Α/Β χημικός αισθητήρας και βιοαισθητήρας

Η διαφορά μεταξύ χημικών αισθητήρων και βιοαισθητήρων περιλαμβάνει τα ακόλουθα.

Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα

Τα πλεονεκτήματα των χημικών αισθητήρων περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Ο χημικός αισθητήρας δίνει γρήγορες αποκρίσεις σε διάφορα αέρια και ατμούς.
• Αυτά είναι προσιτά.
• Οι χημικοί αισθητήρες είναι πολύ απλοί στη χρήση και φορητοί
• Αυτά δεν είναι ακριβά.

Τα μειονεκτήματα ενός χημικού αισθητήρα περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Αυτοί οι αισθητήρες είναι στενοί (ή) το εύρος θερμοκρασίας τους είναι περιορισμένο.
• Αυτός ο αισθητήρας δεν μπορεί να καλύψει όλες τις ανάγκες οικολογικής παρακολούθησης.
• Έχει περιορισμένη διάρκεια ζωής.

Εφαρμογές χημικών αισθητήρων

ο εφαρμογές χημικών αισθητήρων περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Οι χημικοί αισθητήρες έχουν σημαντικές εφαρμογές στην ιατρική ανίχνευση, την παρακολούθηση του περιβάλλοντος στη βιομηχανία τροφίμων, τη βιομηχανική, την αμυντική ασφάλεια και τη βιομηχανία εξόρυξης.
• Οι εφαρμογές χημικών αισθητήρων περιλαμβάνουν κυρίως την ασφάλεια, την εντατική φροντίδα, τη βιομηχανική υγιεινή, τους ποιοτικούς ελέγχους προϊόντων, τους ελέγχους διεργασιών κ.λπ.
• Αυτός ο αισθητήρας βοηθά στη μέτρηση και την ανίχνευση χημικών ιδιοτήτων μέσα σε μια αναλυόμενη ουσία.
• Αυτά χρησιμοποιούνται στην ιατρική, την ασφάλεια του σπιτιού, τη ρύπανση του περιβάλλοντος κ.λπ.
• Η χημική ανίχνευση χρησιμοποιείται σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών κλάδων όπως: ηλεκτροχημική ανάλυση, βιοϊατρική μέτρηση, παρακολούθηση ρύπανσης & βιομηχανικός έλεγχος.
• Αυτοί οι αισθητήρες έχουν διάφορες εφαρμογές για την παρακολούθηση της ρύπανσης και της ανίχνευσης ρύπων.

Ανατρέξτε σε αυτό για περισσότερους χημικούς αισθητήρες και τις διεπαφές τους.

• Αισθητήρας αερίου μεθανίου MQ4.
• Αισθητήρας αερίου υδρογόνου MQ8.

Έτσι, αυτή είναι μια επισκόπηση μιας χημικής ουσίας αισθητήρας, δομή, εργασία ζ, κύκλωμα, τύποι, διαφορές, πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και εφαρμογές. Αυτοί οι αισθητήρες είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή ενός χημικού σήματος σε αναλυτικό. Εδώ, το χημικό σήμα μπορεί να σχηματιστεί μέσω μιας επιλεκτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός αισθητηρίου υλικού που βρίσκεται στον αισθητήρα και ενός αναλύτη στόχου. Παραδείγματα χημικών αισθητήρων είναι: Ανιχνευτές μονοξειδίου του άνθρακα, ανιχνευτές γλυκόζης, κουνουπιών, τεστ εγκυμοσύνης κ.λπ. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ο βιοαισθητήρας;