برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)


دانشگاه نیگاتای ژاپن در سال 2004 سنسور هیدروژنی را ارائه نمود که بر اساس تولید نیروی محرکه الکتریکی یا EMF کار میکند. این سنسور شامل دو الکترود است (شکل یک) که دارای پتانسیل شیمیایی متفاوتی در حضور گاز هیدروژن اند. الکترود اول از ماده ای با پتانسیل شیمیایی بالاتر و الکترود دوم از ماده ای با پتانسیل شیمیایی پائینتری ساخته شده اند. الکترود اول بصورت الکترود آشکارساز گاز هیدروژن عمل میکند و الکترود دوم نقش الکترود مرجع یا استاندارد را داراست. بدین لحاظ در حضور گاز هیدروژن اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود ایجاد میشود که دامنه ی تغییرات آن متناسب با میزان گاز هیدروژن موجود در محیط است. تیمی به سرپرستی پروفسور هارادا  Prof Harada این سنسور را طراحی و ساختند.

شکل یک - ساختار سنسور

اساساً سنسورهای الکترولیتی هیدروژنی دارای ساختار پیچیده ای نبوده و تقریباً همگی از یک استراکچر تبعیت میکنند. شکل زیر استراکچر جنرال این سنسورها را نشان میدهد که البته با آنچه دانشگاه نیگاتا طراحی کرده  متفاوت است.

از آنجاییکه نسل بعدی سوخت موتورها بسرعت بسمت هیدروژن سوز شدن میل میکند، نیاز به چنین سنسورهایی که بتوانند نشت بسیار اندک هیدروژن را تشخیص داده و به موقع اعلام خطر کنند بسیار ضروری است. میدانیم که ترکیب شدن هیدروژن با اکسیژن در محیط کنترل نشده بسیار خطرناک و توأم با انفجار شدید است.

سنسورهای رایج هیدروژن بیشتر شامل سه نوع نیمه هادی، نوع یونیزه شونده، و نوع احتراقی هستند، بطوریکه میزان هیدروژن موجود در محیط بصورت غیر مستقیم توسط هر یک از این سنسورها اندازه گیری میشود. مثلاً در نوع نیمه هادی تغییرات حجم گاز هیدروژن باعث تغییرات غلظت حاملها، در سنسور یونیزه شونده باعث تغییرات غلظت یونها و در نوع احتراقی فعل و انفعال حرارتی باعث ایجاد بخار آب شده و سپس میزان غلظت آب اندازه گیری و از روی آن غلظت هیدروژن محیط بدست میآید.

همانگونه که مشاهده میشود در هر یک از سنسورهای فوق کمیت تولید شده ی پاسخ سنسور یک کمیت فیزیکی است و برای اهداف کنترلی باید این کمیت بصورت الکتریکی در آید. در نتیجه کل زمان پاسخ سنسور و زمان تبدیل کمیت توسط ترنسدیوسر Transducer در حدود 100 ثانیه و بیشتر خواهد شد. بعلاوه بعنوان مثال در سنسورهای هیدروژن نیمه هادی حداقل میزان و حجم هیدروژن مورد نیاز برای آزاد کردن یک اکسیژن با بار منفی و در نتیجه تغییر در مقاومت سنسور ممکن است آنقدر زیاد باشد که منجر به انفجار شود. مشکل سطح بزرگ مورد نیاز برای فعل و انفعال هیدروژن با لایه اکتیو را نیز به این مشکلات بیافزاییم، در نتیجه نیاز به سنسور هیدروژن حساس به غلظت بسیار کم و زمان پاسخ بسیار بالا بسیار ضروری بنظر میرسد.

سنسور ساخته شده توسط تیم پروفسور هارادا دارای زمان پاسخی کمتر از یک ثانیه است و تنها به چهار الی پنج ثانیه زمان بازیافت یا Recovery نیاز دارد (شکل 2). ولتاژ EMF سنسور در حضور صفر درصد هیدروژن معادل اختلاف پتانسیل شیمیایی اولیه دو الکترود بوده که کمی بیش از 0.8 ولت است و در حضور 0.8 درصد غلظت هیدروژن این میزان به حدود 0.15 ولت میرسد (شکل 3).

شکل دو - پاسخ سنسور

شکل سه - میزان حساسیت سنسور

سرانجام اینکه این سنسور بواسطه حجم بسیار کوچکی که داشت بهمراه یک تقویت کننده ولتاژ درون یک بسته بندی جای داده شد و روانه بازار گردید (شکل چهار). ابعاد واقعی این محصول به اندازه یک اُپ اَمپ 741 با بسته بندی پلاستیکی است. 

  

شکل چهار - نمایش پایه های سنسور بهمراه تقویت کننده

شکل زیر اسکرین شاتی از فیلم بنمایش درآمده از نحوه عملکرد این سنسور را نشان میدهد که در آن سنسور در یک Test Bed برای انجام آزمایش قرار داده شده است.

این فیلم نحوه عملکرد سنسور و تست آنرا نمایش میدهد. برای کمتر کردن حجم فیلم فرمت آن به flv تغییر داده شده است که با Realplayer ورژن 9 به بالا قابل پخش است. برای دانلود کل گزارش ثبت اختراع و طراحی وساخت این سنسور اینجا را کلیک کنید.


سنسورهای بیوالکتریکی Biosensors


بیوسنسورها طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. بیوسنسورها یا سنسورهای بر پایه مواد بیولوژیکی اکنون گستره ی وسیعی از کاربردها نظیر صنایع دارویی، صنایع خوراکی، علوم محیطی، صنایع نظامی بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل میشود.

توسعه بیوسنسورها از 1950 با ساخت الکترود اکسیژن توسط لی لند کلارک در سین سیناتی آمریکا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این سنسور همچنین بنام سازنده ی آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده میشود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک میکرد از این سنسور برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون NH4++ بیو سنسوری ساخته شده که میتوانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه گیری کند. هر کدام از این دو بیوسنسور اولیه از ترنسدیوسر متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده میکردند. در نوع اول میزان قند خون با اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری میشد (آمپرومتریک) در حالیکه در سنسور اوره اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده در الکترودهای سنسور صورت می پذیرفت (پتنشیومتریک Potentiometric).

ممکن است روزی فرا رسد که بیمار بدون نیاز به مراجعه به پزشک و تنها بر مبنای اطلاعاتی که توسط یک COBD یا Chip-on-Board-Doctor فراهم میشود نوع بیماری تشخیص داده شده و سپس داروهای مورد نیاز مستقیماً درون خون تزریق شود. این مسئله باعث خواهد شد که دوز مصرفی دارو بسیار پایین آمده و ضمناً از میزان اثرات جانبی دارو Side-Effect بطرز فاحشی کاسته شود، چرا که دارو مستقیماً به محل مورد نیاز در بدن ارسال میشود.

کاری که یک بیوسنسور انجام میدهد تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک سیگنال الکتریکی است و شامل دو جزء اصلی: پذیرنده Receptor و آشکارکننده Detector است. قابلیت انتخابگری یک بیوسنسور توسط بخش پذیرنده تعیین میشود. آنزیمها، آنتی بادی ها، و لایه های لیپید (چربی) مثالهای خوبی برای Receptor هستند.

وظیفه دتکتور تبدیل تغییرات فیزیکی یا شیمیایی با تشخیص ماده مورد تجزیه (Analyte) به یک سیگنال الکتریکی است. کاملاً واضح است که دتکتورها قابلیت انتخاب در نوع واکنش صورت گرفته را ندارند. انواع دتکتورهای (یا ترانسدیوسرها یا مبدلها یا آشکارسازها) مورد استفاده در بیوسنسورها شامل: الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی میباشند. در نوع الکتروشیمیای عمل تبدیل به یکی از صورتهای: آمپرومتریک، پتانشیومتریک، و امپدانسی صورت میپذیرد. متداولترین الکترودهای مورد استفاده در نوع پتانشیومتریک شامل: الکترود شیشه ای Glass Electrode، الکترود انتخابگر یونی Ion-Selective، و ترانزیستور اثرمیدان حساس یونی Ion-sensitive FET یا ISFET هستند.

بطورکلی یک بیوسنسور شامل یک سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized نظیر یک دسته سلول، یک آنزیم، و یا یک آنتی بادی و یک وسیله اندازه گیری است. در حضور مولکول معینی سیستم بیولوژیکی باعث تغییر خواص محیط اطراف میشود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید میکند. این سیگنال را سپس میتوان به سیگنالی قابل فهم برای دستگاههای الکترونیکی تبدیل کرد.

مزایای بیوسنسورها بر سایر دستگاههای اندازه گیری موجود را میتوان بطور خلاصه بصورت زیر بیان کرد:

  • مولکولهای غیرقطبی زیادی در ارگانهای زنده شکل میگیرند که به بیشتر سیستمهای موجود اندازه گیری پاسخ نمی دهند. بیوسنسورها میتوانند این پاسخ را دریافت کنند.
  • مبنای کار آنها بر اساس سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized تعبیه شده در خود آنهاست، در نتیجه اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند.
  • کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورهای امکان پذیر است.

فایل 914 کیلوبایتی تحت عنوان بیوسنسور که برای ارائه در درس سنسور آماده شده است را میتوانید از اینجا دانلود کنید.

همچنین از اینجا میتوانید فایلی تحت عنوان Biosensors: A Tutorial Review را دانلود کنید. 

در تهیه این مطلب علاوه بر جستجو در سایتهای اینترنتی از مقاله فوق نیز استفاده شده است.

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :