شناخت بهتر حسگرها(1)

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 گونهء مورد نظر در یک نمونهء پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجهء پیوند شدن عنصرحسگر با گونهء موردنظر تولید شده است 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.

بسته بندی ای را در یک فروشگاه بزرگ تصور کنید که می تواند فوراً به شما بگوید که ماده غذایی درون آن ها در معرض گرما قرار گرفته یا فسادش شروع شده است. شاخص خودکار خطاناپذیر کوچکی را به تصور در آورد که همواره می تواند خانه ای را نسبت به تأثیر مواد شیمیایی خطرناک همچون نشت گاز، مونوکسیدکربن، یا اوزون تحت نظارت قرار دهد. یک وسیله آزمون پزشکی ساده را فرض کنید که بلافاصله اعلام کند بیمار به دیابت، استروپتوکوک، ویروس، آنفولرانزا و یا کم خونی مبتلاست. سیم ساده ای را تصورکنید که درون زمین کشاورزی قرار داده می شود و به کشاورز اعلام می کند که این زمین برای کشت محصولی مثلاً خیار مناسب است یا خیر. همه این امکانات در محدوده توانایی حسگرهای نانویی قرار می گیرند.

خصوصیات کلی حسگرها:

یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :

1. سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونهء هدف باشد.

2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.

3. قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.

4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.

5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد. ( درحد میلی ثانیه )

6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما، قدرت یونی محیط و …

نانو حسگرها

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دههء اخیر به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می‌شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجهء حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند.نانوحسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته‏اند .

نانو حسگر های طبیعی

نمونه هایی ازنانوحسگرها در بسیاری از حوزه های علوم و فناوری صادق اند.در زیست شناسی بسیار گسترده اند ودر ارتباطات نقشی بس مهم ایفا می کنند . همان طور که می دانیم برقراری ارتباط با سایر موجودات یکی از مشخصه های تعیین کننده حیات به شمار می آید. سیگنال ها به شکل های متنوعی از جمله ملکول ها، صدا، بو و لامسه ارسال می شوند و نیز می توانند در شکل الکترومغناطیسی به صورت گرما و نور در آیند. توانایی آشکار سازی این سیگنال ها هم مطلوب است (مثل عطر و ادکلن) و هم ضروری مانند آشکارسازی مواد مرکاپتان، که موادی حاوی گوگرد و بدبویند که به گاز طبیعی مصرفی خانگی اضافه می کنند.

وجود نانوحسگرهای ظریف در برجستگی های بینی بعضی حیوانات به خصوص سگ در بقای آن ها و راههای یاری آنان به آدمی، نقش تعیین کننده ای بازی می کنند. سازوکار بنیانی در پس حس بویایی سگ ،شناسایی مولکولی به شمار می آید.شکل های مکمل درون ساختار بینی سگ و یا گیرنده های حشرات، شکل ملکول های سیگنال، و به خصوص توزیع بار الکترونی روی سطح آن ها را باز می شناسند ساده ترین تشابه در این مورد عبارت است از کلیدی که دقیقاً به قفل می خورد، اما در این مورد کلید نه تنها باید شکل صحیح را داشته باشد بلکه باید بارهای الکتریکی هم به نحو صحیحی بر روی آن توزیع شده باشند. در این خصوص، قفل های کارت مغناطیسی که در هتل ها متداول اند نمودهای بهتر شناسایی ملکولی هستند به گونه ای که نه تنها کلید را آشکار سازی می کنند بلکه نور سبزی را هم روشن می کنند تا به شما نشان دهند چه موقع کلید صحیح را (و بنابراین حسگرهای صحیحی را که هم کلید را آشکار می کنند و هم سیگنال می دهند) آشکارسازی کرده اند.

انواع نانوحسگرها:

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دستهء نقاط کوانتومی، نانولوله‌های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند:

1.استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:

نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهندهء نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئلهء خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

2. استفاده ازنانولوله‌ها درتولید نانوحسگرها:

نانو لوله‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.

به طورکلی کاربرد نانو لوله‌ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

الف ) نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:

این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله‌های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت 200ppm از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.

ب) نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:

هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله‌ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصلهء میان نانولوله‌های کربنی وسیستم، نانولوله‌های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی‌های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیلهء پیوندهای واندروالس روی نانولولهء کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله‌ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.

3.استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:

با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانهء کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینهء نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

   ادامه دارد...

منبع:nano-nanoclub- irphy-- nanowerk-nanosensors

کتاب نانو فناوری-مارک ودانیل راتنر-هوشنگ گودرزی