Kā Darbojas Ķīmisko Sensoru Ierīces

{h1}

Ķīmiskās sensoru ierīces nav paredzētas tikai radona gāzes un oglekļa monoksīda noteikšanai. Uzziniet par to, kur un kā tie tiek izmantoti vietnē WordsSideKick.com.

Elpošana ārā un ārā ir kaut kas tāds, ko mūsu ķermeņi dara, par to nedomājot. Patiesībā mēs reti pat otrreiz domājam par apkārtējo gaisu, līdz kaut kā tā kvalitāte ir zema - varbūt no tuvējā uguns dūmiem vai smoga, kas apņem mūsu pārpildītās pilsētas.

Bet var būt bīstamas gāzes, kuras ne vienmēr ir redzamas. Oglekļa monoksīds un radons ir divi nāvējošu gaisa piesārņotāju piemēri, kas ir pilnīgi neredzami. Mēs neapzināmies, ka mūs saindē no gaisa, ko elpojam, līdz nav par vēlu. Par laimi, šīs gāzes nav tik izplatītas, un, izmantojot nelielu ķīmisko sensoru tehnoloģiju, mēs varam ļaut oglekļa monoksīda un radona detektoriem padarīt mūs satraucošus.

Ķīmiskie sensori ir noderīgi ne tikai nāvējošu gāzu noteikšanā. Šīs ierīces var atrast mūsu mājās, slimnīcās un armijā. Ir daudz dažādu sensoru veidu, kas uztver dažādas mērķa molekulas (pazīstamas arī kā analīti). Lai arī sensori darbojas dažādos veidos, būtība ir tāda, ka starp analizējamo vielu un sensorā notiek kaut kas ķīmisks, un ierīce rada izmērāmu signālu - pīkstienu vai krāsas maiņu, lai brīdinātu mūs par mērķa molekulas klātbūtni.

Neskatoties uz atšķirībām sensoru uzbūvē, ir daži pamatprincipi, kas jebkuru sensoru padara labu. Ideāls ir lēts, drošs un pārnēsājams. Vissvarīgākais ir tas, ka jebkuram ķīmiskajam sensoram ir divas būtiskas iezīmes: selektivitāte un jutība. Pasaulē ir vairāk nekā 10 miljardi molekulāro vielu, tāpēc vienas vielas selektīva noteikšana nav mazs varoņdarbs [avots: Nacionālā pētījumu padome]. Jutība ir arī neticami svarīga, lai noteiktu ķimikālijas no liela attāluma vai mēģinātu atrast ļoti zemas mērķa molekulas koncentrācijas. Citas svarīgas sensora funkcijas ir reakcijas laiks, iepakojuma lielums un noteikšanas robeža - zemākais vielas daudzums, ko var noteikt.

Tik jūtīgi! Kā sensori atrod mērķa molekulas

Tik jūtīgi! Kā sensori atrod mērķa molekulas

Oglekļa monoksīda detektors var novērst saindēšanos ar gāzes izgarojumiem. BanksPhotos / Getty Images

Zinātnieki un inženieri ir izstrādājuši dažādus sensorus dažādiem mērķiem, un, kā jūs varat iedomāties, viņiem visiem ir savi darba veidi. Galu galā grūtniecības testa komplektam, visticamāk, nebūs tāds pats noteikšanas mehānisms kā radona detektoram, vai ne?

Visi ķīmiskie sensori ir vērsti uz kāda veida analīti, bet tas, kas notiek, kad analizējamā viela atrodas sensorā, rodas atšķirības. Piemēram, sensors var saistīt analizējamo vielu (domājiet, ka bloķēšanas un atslēgas tipa mehānisms, bet molekulārā līmenī). Vai arī sensoru var iestatīt tā, lai analizējamā viela selektīvi izietu caur plānu plēvi. Iedomājieties, ka filma ir ķīmiska vārtsarga, kas tikai ļauj mērķa molekulai iziet cauri un neļauj visam pārējam iekļūt. Šim sensora veidam ir pozitīva īpašība, ka tas tiek atkārtoti izmantots atkārtoti. Trešais sensora veids analīti izmanto ķīmiskajā reakcijā, kas rada produktu, kas rada lasāmu signālu [avots: Nacionālā pētījumu padome]. Šie trīs ļoti plašie mehānismi aptver vairuma sensoru darbību, taču joprojām pastāv citi veidi.

Piemēram, ir tieši nolasīti elektroķīmiskie sensori, kas izmanto uzlādētu molekulu difūziju, lai meklētu strāvas, vadītspējas vai potenciāla izmaiņas, lai redzētu, vai ir mērķa analizējamā viela. Virszemes akustisko viļņu sensori izmanto akustiskos viļņus, ko pa visu virsmu nosūta no viena elektroda uz otru. Sensors ir konstruēts tā, ka, mainoties viļņa ātrumam vai ja tas zaudē intensitāti, tas signalizē par mērķa molekulas klātbūtni, kas piesaistīta virsmai. Veicot šo izmaiņu mērījumus, sensors var pat spēt atklāt esošā materiāla daudzumu [avots: Nacionālā pētījumu padome].

Vēl viens atdzist jauninājums ķīmiskās izpētes tehnoloģijā virzās uz dažādu ķīmisko mērķu raksturīgo īpašību noteikšanu, nevis molekulāro mijiedarbību, lai vadītu noteikšanu. Dažādām saitēm molekulās ir raksturīgas vibrācijas shēmas, kuras var noteikt elektromagnētiskā spektra infrasarkanajā reģionā. Apvienojot gaismas avotus, filtrus un detektorus vienā mikroshēmā, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta zinātnieki ir spējuši noteikt šos molekulāros pirkstu nospiedumus, lai uztvertu veselu virkni molekulu, sākot no piesārņotājiem ūdenī līdz elektrolītiem jaundzimušo bērnu asinīs [ avots: Benders].

Kā palīdz ķīmiskie sensori

Neatkarīgi no tā, kā viņi darbojas, ķīmisko sensoru ierīces bez šaubām darbojas jūsu labā. Iespējams, ka jūsu mājās ir vismaz viens radona gāzes, dūmu vai oglekļa oksīda detektors atkarībā no jūsu valsts vai valsts likumiem. Daudzi radona sensori darbojas, absorbējot pašu radonu vai atklājot nāvējošās gāzes radioaktīvās sabrukšanas produktus. Savukārt oglekļa monoksīds nav radioaktīvs materiāls, tāpēc šīs gāzes detektori darbojas atšķirīgi. Viens no visizplatītākajiem šī ķīmiskā sensora mehānismiem ir bioloģijas teorija. Šie detektori imitē oglekļa monoksīda mijiedarbību ar hemoglobīnu asinīs, lai noteiktu gāzes klātbūtni. Vēl viens izplatīts detektors mājās ir dūmu detektors. Lai gan daži izmanto radioaktīvus materiālus, lai palīdzētu izsmēķēt dūmus, lielāko daļu jutības dūmu detektoros rada fiziskā, nevis ķīmiskā parādība, kas rodas no dūmu daļiņām, kas rada traucējumus, kurus uztver detektors.

Ķīmisko sensoru ierīces ir plaši izmantotas arī ārpus mājas. Viena no galvenajām vietām, kur jūs redzēsit šīs ierīces darbībā, ir biomolekulu meklēšana medicīnas iestādēs. Biomolekulas sensori būtībā ir specializēti ķīmiskie sensori. Lai arī tās atklāj tādas vielas kā hormonus, šīs ķermeņa vielas ir visas molekulas. Galu galā šie sensori ir izgatavoti pēc daudziem tādiem pašiem pamatprincipiem kā citi ķīmiskie sensori - selektivitāte, jutība un pārnesamība.

Daži no pārnēsājamākajiem biomolekulu sensoriem, kas jums varētu būt zināmi, ir saistīti ar auglības mērījumiem: grūtniecības testi un ovulācijas testi. Abi šie ķīmiskie sensori nosaka noteiktu hormonu klātbūtni urīnā. Grūtniecības testu gadījumā sensors atrod hormonu cilvēka horiona gonadotropīnu (hCG) urīnā. Nūjai, uz kuras sieviete urinē, ir antivielas, kas ir pārklātas ar ķīmisku vielu, kas saistās ar hCG. Ja ir biomolekula, testa rezultāts ir pozitīvs [avots: Žurnāls Vecāki]. Parasti šiem ķīmiskajiem sensoriem ir kolorimetriska sastāvdaļa, tāpēc, kad saikne ar analizējamo vielu - šajā gadījumā hCG - izraisa sensora krāsas maiņu, padarot rezultātu nolasījumu diezgan drošu.

Klīniskajā vidē divas no visizplatītākajām metodēm biomolekulu noteikšanai uz ķīmiskām vielām ir ELISA (ar enzīmu saistīts imūnsabsorbenta tests) un Western blot. Atkarībā no attiecīgās biomolekulas lieluma un veida, kā arī no viņiem vēlamās informācijas par molekulu, zinātnieki un klīnicisti bieži pievērsīsies vienai no šīm ķīmisko sensoru noteikšanas metodēm, lai identificētu dažādas analīti biomolekulu maisījumos [avoti: ThermoFisher Scientific, Mahmood un Yang ].

Sci-fi atklāšana Kļūstot par realitāti

Sci-fi atklāšana Kļūstot par realitāti

Stikla galviņā atrodas DARPA izstrādātais neirālā interfeisa sensors, kas nolasa smadzeņu signālus un stimulē neironus, lai apkarotu atmiņas zudumu. DARPA iegulda līdzekļus ķīmiskās izpētes pētījumos. Steisija Rupolo / Čikāgas Tribune / TNS, izmantojot programmu Getty Images

Liels virzītājspēks turpmākajiem ķīmiskās izpētes virzieniem ir militārpersonas. Finansēšanas aģentūrām, piemēram, ASV Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūrai (DARPA), ir lieli sapņi par to, ko ķīmiskā izpēte varētu darīt tās bruņotajiem spēkiem. Iedomājieties, kā karadarbības zonā telts augšpusē varētu ievietot sensoru, kas 4 jūdžu (6 kilometru) attālumā var atklāt sprāgstvielas vai toksiskas gāzes.

Vai arī nofotografējiet sensoru, kas ir tik niecīgs, lai to varētu iestrādāt audumos. Kad sensors atrod toksisku aģentu, auduma krāsa mainās, brīdinot karavīrus par ķīmisko toksīnu klātbūtni gaisā. Kā būtu ar sensoru, kas varētu brīdināt karavīrus par viņu dehidratācijas līmeni? Ietekme uz šādu tehnoloģiju būtu ne tikai virsroku cīņā, bet arī izglābtu potenciāli tūkstošiem dzīvību.

Ķīmiskās vielas varētu novietot arī lidostās, lai palīdzētu apturēt terorismu, atklājot minimālas sprāgstvielu koncentrācijas, un mums nav jāveic lielas drošības līniju problēmas. Patiesībā zinātnieki jau ir atklājuši sensoru, kas, ņemot vērā lidostas, var ātri atklāt narkotikas un sprāgstvielas 100 pēdu (30 metru) attālumā [avots: Engineering360]. Šos sensorus varēja uzstādīt lidostu ieejās un citās vietās ar lielām cilvēku grupām. Dažus ķīmisko sensoru veidus pat var pievienot mobilajiem tālruņiem, lai skenētu lielākus laukumus, kad pārvietojas tiesībaizsardzības iestāžu darbinieki [avots: Hsu].

Protams, ķīmiskie sensori nav jāizmanto tikai, lai novirzītu nožēlojamās darbības. Metālu piesārņotāju noteikšana ūdenī un, iespējams, toksisku ķīmisku vielu klātbūtne gaisā, izmantojot sensoros drošības zīmēs, ir tikai daži no veidiem, kā ķīmiskās sensoru ierīces maina mūsu pasauli.

Autora piezīme: Kā darbojas ķīmisko sensoru ierīces

Audumā iešūti nanodaļiņu sensori, kas varētu man vairāk pastāstīt par sevi vai gaisu man apkārt? Tas ir sci-fi sīkumi. Izņemot, ka tā nav. Varbūt militārā joma virza pētījumu virzību uz šādām lietām, bet drīz pēc tam, kad karavīri sāks to izmantot, tas būs parasts pārējiem mums. Valkājamajai tehnoloģijai piešķir pilnīgi jaunu nozīmi.


Video Papildinājums: Pļaviņu ģimnāzijā izmanto modernākās tehnoloģijas.




LV.WordsSideKick.com
Visas Tiesības Aizsargātas!
Pavairošana Materiālu Atļauts Tikai Prostanovkoy Aktīvu Saiti Uz Vietni LV.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LV.WordsSideKick.com