חיישן כימי: מבנה, מעגל, עבודה, סוגים, לעומת ביוחיישן ויישומיו

כימיקל אידיאלי חיישנים הם מכשירים ניידים, זולים ועמידים בפני תקלות המגיבים בסלקטיביות אידיאלית ומיידית לאנליט מסוים בכל מדיום מועדף כדי ליצור אות פלט מדיד בכל ריכוז אנליט נדרש. בדרך כלל, חיישנים אלה הם מכשירים (או) מכשירים שמחליטים על הריכוז, הנוכחות הניתנת לזיהוי (או כמות האנליט). מורכבות היישום של החיישן הכימי קשורה למורכבויות הטכניות הקשורות לקביעות אלו ולאופי הספציפי של החומר הכימי שיש לנתח. היבטי הסלקטיביות והרגישות של חישה כימית יכולים להיות מושפעים מההיבטים הממדיים, הפאזיים והזמניים של הקביעה המועדפת. האנליט יכול להיות זמין בשלב נוזלי או מוצק בסקאלות מימדיות שונות שנעות בין ליטר בתפזורת לפיקולטר. מאמר זה מספק מידע קצר על א חיישן כימי , העבודה שלו והיישומים שלו.

מהו חיישן כימי?

חיישן המשמש למדידה וזיהוי של כמויות כימיות בתוך אנליט (הרכב, קיום של יסוד (או) יון מסוים, פעילות כימית, ריכוז) כדי להמיר אותו לנתונים אלקטרוניים, ידוע כחיישן כימי. חיישנים אלו משמשים בעיקר במגוון יישומים הכוללים מערכות זיהוי ביתיות, רפואה, ננוטכנולוגיה ורכב.

מבנה חיישן כימי

מבנה החיישן הכימי מוצג להלן. חיישן זה עשוי משני מרכיבים משמעותיים; הקולטן או חומר החישה והמתמר. חומר החישה מקיים אינטראקציה עם אנליט המטרה בדרכים שונות בהתבסס על סוג החיישן. התוצאה של אינטראקציה זו היא טרנספורמציה של תכונה חומרית כמו מוליכות חשמלית ומסה.

הרכיב הבא בחיישן זה הוא מַתמֵר , אשר אחראי על לקיחת הנתונים הכימיים של האינטראקציה בין הקולטן והאנליט ושינויו לאות אלקטרוני. לאחר מכן, הנתונים הללו ניתנים למחשב (או) לרכיב מכני.

החיישן הכימי פועל על עיקרון התגובה האלקטרוכימית כדי להמיר את ההרכב והריכוז של תרכובות כימיות אורגניות ואנאורגניות לאותות חשמליים.

מעגל חיישן כימי ועבודתו

מעגל זה מתאר כיצד פועל חיישן חד תחמוצת הפחמן. לחיישן זה יש שלוש אלקטרודות הטבולות בתוך אלקטרוליט נוזלי. שלוש האלקטרודות הללו הן בעיקר האלקטרודה הפועלת, האלקטרודה הנגדית ואלקטרודת הייחוס אך האלקטרודה החשובה ביותר היא האלקטרודה הפועלת. אלקטרודה זו עשויה פלטינה שהיא מתכת קטלטית לפחמן חד חמצני המגובה על ידי קרום חדיר לגז אם כי הידרופובי. גז הפחמן החד חמצני מתפזר דרך הממברנה הנקבוביה וחומצן אלקטרוכימית.

האלקטרונים המעורבים בזרימת התגובה האלקטרוכימית מהאלקטרודה מייצרים את אות הפלט של החיישן. אלקטרודת הייחוס מספקת פוטנציאל אלקטרוכימי יציב בתוך האלקטרוליט. אלקטרודה זו מוגנת פשוט מחשיפה לגז פחמן חד חמצני, ולכן הפוטנציאל התרמודינמי שלה תמיד דומה ונשאר יציב. בנוסף, אסור לזרום זרם לאורך אלקטרודת הייחוס. אלקטרודה נגדית מסופקת להשלמת מעגל התא האלקטרוכימי.

אלקטרודה זו פועלת רק כחצי התא השני ומאפשרת לאלקטרונים להיכנס או להתרחק מהאלקטרוליט. המעגל שלמטה שולט בפוטנציאל האלקטרודה הפועל ומשנה את זרם האות למתח המכונה פוטנטיוסטט. הזרם מה-WE (אלקטרודה עובדת) משתנה למתח דרך מגבר ההפעלה U2. אז מעגל זה שומר על מתח האלקטרודה הפועלת בפוטנציאל ההטיה (Vbias). פוטנציאל ה-RE (אלקטרודת התייחסות) מושווה למתח הכניסה הקבוע (Vbias). מגבר ה-Op-U1 במעגל מייצר מתח ב-CE (אלקטרודת נגד) שמספיק ליצור זרם שווה ערך והפוך בדיוק לזרם האלקטרודה הפועלת. במקביל, ניתן לשמור על מתח קבוע בין האלקטרודה הפועלת ואלקטרודת הייחוס.

חיישן חד חמצני הפחמן מצויד גם באמצעות מסנן סלקטיבי מבחינה כימית אשר מבטל גזים שעלולים להפריע לפני שהם מגיעים לאלקטרודה הפועלת. אם המסנן הסלקטיבי מבחינה כימית פועל כהלכה, לחיישן הכימי תהיה פחות תגובה לגזים מפריעים. ניתן לשנות את הטכנולוגיה שהוסברה לעיל כדי לספק חיישנים המגיבים לגזים השונים. אז זה יכול להתבצע עם אלקטרודות עבודה שונות, מסננים סלקטיביים כימית פוטנציאל הטיה.

סוגי חיישנים כימיים

ישנם סוגים שונים של חיישנים כימיים אשר נדון להלן.

מנתח נשימה

מנתח נשיפה הוא חיישן כימי המשמש להערכת BAC (תכולת אלכוהול בדם) מדגימת נשימה. בכל פעם שאנשים שותים אלכוהול, אז הם נושמים החוצה כמות מסוימת של מולקולות אלכוהול שהיא פרופורציונלית ישירה לכמות שהם שותים. אז חיישן זה תוכנן במיוחד כדי למדוד את ה-BAC של אדם לעתים קרובות כדי להחליט אם הוא נוהג ברכב בצורה מאובטחת או לא. ברגע שהמולקולות של אלכוהול מקיימות אינטראקציה דרך הקולטן, אז הן נתקלות בחומר כימי אחד נוסף הסגור בקולטן כמו חומצה גופרתית, חנקתי כסף, מים ואשלגן דיכרומט. כאשר מזהים את השוני הכימי בין שני החדרים, ניתן להפיק אות חשמלי ולהצביע על המחט או המסך שלו.

חיישן פחמן דו חמצני

חיישן פחמן דו חמצני ידוע גם בשם א חיישן CO2 המשמש למדידת גז CO2. העקרונות הנפוצים לחיישן זה הם חיישני גז אינפרא אדום וחיישני גז כימיים. אז, מדידת גז CO2 היא משמעותית בתצפית על איכות האוויר בתוך הבית, תפקוד הריאה בצורת מכשיר הקפנוגרף ואזורי תעשייה שונים.

גלאי פחמן חד חמצני

גלאי פחמן חד חמצני הוא מכשיר המשמש לחוש נוכחות של גז CO כדי למנוע הרעלת פחמן חד חמצני. גז פחמן חד חמצני הוא גז חסר צבע, חסר ריח וחסר טעם המיוצר על ידי הצתה חלקית של חומרים המכילים פחמן. רמות גבוהות של גז זה עלולות להיות מסוכנות מאוד לבני אדם בהתבסס על הכמות הנוכחית ואורך החשיפה. גלאים אלו נועדו בעיקר למדוד את רמות ה-CO בסופו של דבר ולהעניק אזעקה לפני שרמות CO מסוכנות מצטברות בסביבה, ולספק לאנשים אזהרה מספקת כדי לרענן את האזור בצורה מאובטחת או לעזוב.

אף אלקטרוני

א אף אלקטרוני או e-nose הוא מכשיר המשמש לזיהוי טעמים או ריחות. זה מסוגל לשחזר חושים אנושיים עם מערכי חיישנים ומערכות זיהוי תבניות. אז שלבי תהליך ההכרה קשורים לריח אנושי ומבוצעים עבור, השוואה, זיהוי, כימות ויישומים אחרים כמו; אחסון ואחזור נתונים. שלבי תהליך הזיהוי דומים לריח אנושי ומבוצעים לצורך זיהוי, השוואה, כימות ויישומים נוספים, לרבות אחסון ואחזור נתונים.

חיישן ננורוד תחמוצת אבץ

חיישן ננורוד של תחמוצת אבץ (חיישן ZnO nanorod) הוא מכשיר אופטי או אלקטרוני המשמש לזיהוי נוכחות של מולקולות נוזליות או גזים מסוימים באטמוספירה הסביבה. חיישן כימי זה מנצל שטח פנים משופר עבור כל החומרים בגודל ננו כמו ננו-נורוד ZnO. ניתן לזהות ספיגת מולקולות על הננו-רודים באמצעות הבדלים במאפיינים של הננו-רודים, כמו פוטו-לומינסנציה, תדר רטט, מוליכות חשמלית, מסה וכו'. השיטה הפשוטה והפופולרית ביותר היא להעביר זרם חשמלי לאורך הננו-רודים ולנטר את השינויים שלו בחשיפה ל גַז.

חיישן פוטנציומטרי

חיישן פוטנציומטרי הוא מעין חיישן כימי המשמש לגילוי הריכוז האנליטי של רכיבים מסוימים בתמיסת הגז (או) האנליט. חיישן זה מודד את הפוטנציאל החשמלי של אלקטרודה כאשר אין מתח. לחיישן זה יתרונות רבים כמו פשטות וחסכוניות בהשוואה למכשירים אנליטיים קונבנציונליים. אז, חיישנים אלה יכולים לשמש בתחומים שונים כמו מזון, בריאות, חקלאות, ניטור איכות מזון, ניטור איכות מים, ניטור בריאות, ניטור סביבתי וכו’.

חיישן מימן

חיישן מימן הוא סוג של חיישן; משמש לזיהוי נוכחות של גז מימן בתחומים שונים. חיישנים אלו הם בעלות נמוכה, עמידים, קומפקטיים ופשוטים מאוד לתחזוקה בהשוואה לחיישני גז אחרים. מימן הוא חסר צבע, חסר טעם וגז חסר ריח. חיישן זה חייב לשמש לזיהוי תכולת המימן בסביבה ולניטור דליפת גז. חיישן זה משמש בגלאי גז מימן לאיתור דליפות גז.

חיישן כלוריד פלואורסצנטי

חיישן כלוריד פלואורסצנטי הוא סוג של חיישן כימי המשמש לניתוח כימי, למדידת הובלת כלוריד על פני ממברנות התא כדי להתאים את נפח התא, איזון המטען, התרגשות הממברנה ופוטנציאל המנוחה. אלה משמשים בעיקר לאבחון סיסטיק פיברוזיס. גילויי ההשתתפות של הכלוריד (Cl−) בתהליכים פיזיולוגיים מעוררים את מדידות ה-Cl− התוך תאיות בתוך תאים חיים ופיתוח כלי פלורסנט.

הבדל שחור/לב חיישן כימי וביוחיישן

ההבדל בין חיישנים כימיים לביו-חיישנים כולל את הדברים הבאים.

יתרונות חסרונות

היתרונות של חיישנים כימיים כוללים את הדברים הבאים.

• החיישן הכימי נותן תגובות מהירות לגזים ואדים שונים.
• אלה סבירים.
• חיישנים כימיים הם פשוטים מאוד לשימוש וניידים
• אלה לא יקרים.

החסרונות של חיישן כימי כוללים את הדברים הבאים.

• חיישנים אלה צרים (או) שטווח הטמפרטורות שלהם מוגבל.
• חיישן זה אינו יכול לעמוד בכל צרכי הניטור האקולוגי.
• יש לו חיי מדף מוגבלים.

יישומי חיישנים כימיים

ה יישומים של חיישנים כימיים כלול את הבאים.

• לחיישנים כימיים יש יישומים משמעותיים באיתור רפואי, ניטור סביבתי בתעשיית המזון, ביו-הנדסה, בטיחות ביטחונית ותעשיית הכרייה.
• יישומי החיישנים הכימיים כוללים בעיקר בטיחות, טיפול קריטי, היגיינה תעשייתית, בקרות איכות מוצרים, בקרות תהליך וכו'.
• חיישן זה עוזר למדוד ולזהות איכויות כימיות בתוך אנליט.
• אלה משמשים ברפואה, אבטחת בית, זיהום סביבתי וכו'.
• חישה כימית משמשת במגוון רחב של דיסציפלינות כמו; ניתוח אלקטרוכימי, מדידה ביו-רפואית, ניטור זיהום ובקרה תעשייתית.
• לחיישנים אלה יש יישומים שונים לניטור זיהום וזיהוי מזהמים.

אנא עיין בזה עבור חיישנים כימיים נוספים והממשקים שלהם;

• חיישן גז מתאן MQ4.
• חיישן גז מימן MQ8.

לפיכך, זוהי סקירה כללית של חומר כימי חיישן, מבנה, עבודה ז, מעגל, סוגים, הבדלים, יתרונות, חסרונות ויישומים. חיישנים אלה הם מכשירים המשמשים להמרת אות כימי לאות אנליטי. כאן, האות הכימי יכול להיווצר באמצעות אינטראקציה סלקטיבית בין חומר חישה הממוקם בחיישן לבין אנליט מטרה. דוגמאות לחיישנים כימיים הם; גלאי פחמן חד חמצני, גלאי גלוקוז, יתושים, בדיקות הריון וכו' הנה שאלה בשבילך, מהו ביו-חיישן?