Hvordan Kemiske Sensorer Fungerer

{h1}

Kemiske sensorer er ikke kun til at detektere radongas og kulilte. Lær om, hvor og hvordan de bruges på WordsSideKick.com.

Indånding ind og ud er noget, vores kroppe gør uden at vi skal tænke over det. Faktisk giver vi sjældent endnu en tanke til luften omkring os, indtil kvaliteten er lav på en eller anden måde - måske fra røg af en nærliggende ild eller smog, der omslutter vores overfyldte byer.

Men der kan være farlige gasser, der ikke altid er synlige. Kulmonoxid og radon er to eksempler på dødbringende luftforurenende stoffer, der er helt usynlige. Vi er ikke klar over, at vi bliver forgiftet fra luften, vi trækker vejret, indtil det er for sent. Heldigvis er disse gasser ikke så udbredt, og ved hjælp af en lille kemisk sensing teknologi kan vi lade kulilte og radon detektorer gøre det bekymrende for os.

Kemiske sensorer er nyttige langt ud over at bare registrere døde gasser. Disse enheder findes i vores hjem, hospitaler og i militæret. Der er mange forskellige typer af sensorer, der registrerer forskellige målmolekyler (også kendt som analytter). Selv om sensorerne arbejder på forskellige måder, er kernen i, at der sker en kemisk interaktion mellem analysen og noget i sensoren, og enheden producerer et målbart signal - en piping eller en farveændring for at advare os om målmolekylets tilstedeværelse.

På trods af forskellene i konstruktionen af ​​sensorer er der et par vejledende principper, der gør enhver sensor god. Den ideelle er billig, idiotsikker og bærbar. Vigtigst er det, at enhver kemisk sensor har to vigtige egenskaber: selektivitet og følsomhed. Der er mere end 10 milliarder molekylære stoffer i verden, så selektivt at detektere et enkelt stof er ikke en lille feat [kilde: National Research Council]. Følsomhed er også utrolig vigtigt for at detektere kemikalier fra en betydelig afstand eller for at forsøge at finde meget lave koncentrationer af et målmolekyle. Andre vigtige sensorfunktioner er responstid, emballage størrelse og detektionsgrænse - den laveste mængde af et stof, der kan detekteres.

Så følsomt! Hvordan sensorer registrerer målmolekyler

Så følsomt! Hvordan sensorer registrerer målmolekyler

En kulilte detektor kan holde dig fra at blive forgiftet af gasdampe. BanksBilleder / Getty Images

Forskere og ingeniører har udviklet en række forskellige sensorer til forskellige formål, og som du kan forestille dig, har de alle deres egne måder at arbejde på. Det er ikke sandsynligt, at et graviditets test kit vil have samme detektionsmekanisme som en radon detektor, ikke?

Alle kemiske sensorer retter sig mod en slags analyt, men hvad sker der, når analyten er i sensoren, er hvor forskellene opstår. For eksempel kan sensoren binde analytten (tænk en lås-og-nøgletype mekanisme, men på molekylært niveau). Eller sensoren kan opstilles, så analysanten selektivt passerer gennem en tynd film. Forestil dig, at filmen er en kemisk gatekeeper, der kun lader målmolekylet gennem og stopper alt andet fra at gå ind. Denne type sensor har den positive funktion at være kontinuerligt genanvendelig. En tredje form for sensor bruger op analytten i en kemisk reaktion, der genererer et produkt, der skaber det læsbare signal [kilde: National Research Council]. Disse tre meget brede mekanismer dækker de fleste sensors arbejde, men der er stadig andre typer.

For eksempel er der direktelæsede elektrokemiske sensorer, der bruger diffusion af ladede molekyler til at lede efter ændringer i strøm, ledningsevne eller potentiale for at se, om en målanalytik er til stede. Overflade akustiske bølgesensorer anvender akustiske bølger sendt fra en elektrode til en anden på tværs af en overflade. Sensoren er designet således, at hvis bølgens hastighed ændres, eller hvis den mister intensitet, signalerer den tilstedeværelsen af ​​et målmolekyle bundet til overfladen. Ved at måle disse ændringer kan sensoren endda være i stand til at registrere mængder af materialet til stede [kilde: National Research Council].

En anden kølig innovation i kemisk sensingsteknologi bevæger sig mod at detektere iboende egenskaber ved forskellige kemiske mål i stedet for at anvende en molekylær interaktion til at køre detektionen. Forskellige bindinger i molekyler har hver især signaturvibrationsmønstre, som kan detekteres i det infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum. Ved at kombinere lyskilder, filtre og detektorer på en enkelt chip har forskere ved Massachusetts Institute of Technology været i stand til at opdage disse molekylære fingeraftryk for at mærke en lang række molekyler, fra forurenende stoffer i vand til elektrolytter i blodet af nyfødte babyer [ kilde: Bender].

Hvordan kemiske sensorer hjælper

Ligegyldigt hvordan de fungerer, er kemiske følelsesanordninger uden tvivl at arbejde for dig. Dit hjem har sandsynligvis mindst en detektor for radongas, røg eller carbonmonoxid, afhængigt af lovene i din stat eller dit land. Mange radon sensorer arbejder ved at absorbere selve radonen eller detektere de dødelige gass radioaktive henfaldsprodukter. Kulmonoxid er på den anden side ikke et radioaktivt materiale, så detektorerne for denne gas virker forskelligt. En af de mest almindelige mekanismer for denne kemiske sensor er en riff på biologi. Disse detektorer efterligner, hvordan carbonmonoxid interagerer med hæmoglobin i blod for at bestemme tilstedeværelsen af ​​gassen. En anden fælles detektor i hjemmet er en røgdetektor. Mens nogle bruger radioaktive materialer til at hjælpe med at snuse røg, kommer det meste af detektionen i røgdetektorer fra det fysiske, ikke kemiske, fænomen af ​​røgpartiklerne, der forårsager forstyrrelse, som detekteres af detektoren.

Kemiske sensorer har også udbredt brug udenfor hjemmet. Et af de vigtigste steder, du kan se disse enheder i aktion er på jagt efter biomolekyler i medicinske omgivelser.Biomolekylsensorer er væsentligt specialiserede kemiske sensorer. Selv om de opdager stoffer som hormoner, er disse kropsstoffer alle molekyler. Disse sensorer er trods alt lavet med mange af de samme vejledende principper som andre kemiske sensorer - selektivitet, følsomhed og bærbarhed.

Nogle af de mest bærbare biomolekylsensorer, du måske er opmærksomme på, er forbundet med fertilitetsmålinger: graviditetstest og ægløsningstest. Begge disse kemiske sensorer registrerer tilstedeværelsen af ​​visse hormoner i urinen. I tilfælde af graviditetstests ser sensoren ud på hormonet humant choriongonadotropin (hCG) i urinen. Stangen, som kvinden urinerer på, har antistoffer, der er belagt med et kemikalie, der binder til hCG. Hvis biomolekylet er til stede, læser testen positiv [kilde: Forældre Magazine]. Normalt har disse kemiske sensorer en kolorimetrisk komponent, så når analysen - i dette tilfælde hCG - binder, udløser den en farveændring i sensoren, hvilket gør aflæsningen af ​​resultaterne temmelig tålsikker.

I den kliniske indstilling er to af de mest almindelige metoder til kemisk-baseret biomolekyl-detektion ELISA (enzymbundet immunabsorberende analyse) og Western blot. Afhængigt af størrelsen og typen af ​​det pågældende biomolekyle og de oplysninger, de ønsker om molekylet, vil forskere og klinikere ofte henvende sig til en af ​​disse kemiske sensorteknikker for at identificere forskellige analyter i blandinger af biomolekyler [kilder: ThermoFisher Scientific, Mahmood and Yang ].

Sci-fi-detektion bliver en virkelighed

Sci-fi-detektion bliver en virkelighed

Et glas hoved har en neurale interface sensor udviklet af DARPA, som læser signaler fra hjernen og stimulerer neuroner til at bekæmpe hukommelsestab. DARPA investerer i kemisk sensing forskning. Stacey Rupolo / Chicago Tribune / TNS via Getty Images

En stor drivkraft for fremtidens retninger af kemisk sensing er militæret. Finansieringsorganer som US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har store drømme om, hvilken kemisk følelse der kan gøre for sine væbnede styrker. Forestil dig at kunne sætte en sensor på toppen af ​​et telt i en krigszone, der kan opdage eksplosiver eller giftige gasser 4 miles (6 kilometer) væk.

Eller billede en sensor, der er så lille, den kan indlejres i stoffer. Når sensoren registrerer et giftigt middel, ændrer stoffets farve sig og advarer soldater til tilstedeværelsen af ​​kemiske toksiner i luften. Hvad med en sensor, der kunne advare soldater til deres udtørringsniveau? Implikationerne for sådan teknologi vil ikke kun være den overordnede i kamp, ​​men også redde potentielt tusindvis af liv.

Kemikalier kan også placeres i lufthavne for at hjælpe med at stoppe terrorisme ved at opdage små koncentrationer af sprængstoffer uden at skulle undergå de omfattende problemer i sikkerhedslinjerne. Faktisk har forskere allerede afsløret en sensor, der hurtigt kan opdage stoffer og eksplosivstoffer tæt på 100 meter væk med lufthavne i tankerne [kilde: Engineering360]. Disse sensorer kunne installeres ved lufthavnens indgange og andre steder med store grupper af mennesker. Nogle typer kemiske sensorer kan endda være fastgjort til mobiltelefoner for at scanne større områder, da politimyndigheder flytter rundt [kilde: Hsu].

Selvfølgelig skal kemiske sensorer ikke kun bruges til at omlede nefarious aktiviteter. Detekterer metalforurenende stoffer i vand og muligvis giftige kemikalier i luften via sensorer i sikkerhedsskilt er blot nogle af de måder, hvorpå kemiske sensorer ændrer vores verden.

Forfatterens Note: Hvordan Kemisk Sensing Devices Work

Nanopartikel sensorer syet i stof, der kunne fortælle mig mere om mig selv eller luften omkring mig? Dette er alvorligt sci-fi ting. Undtagen det er det ikke. Måske er militæret det, der skubber forskningen videre om ting som dette, men snart efter at soldaterne begynder at bruge det, bliver det almindeligt for resten af ​​os. Giver bærbar teknologi en helt ny betydning.


Video Supplement: Sprøjt marken mindre.




Forskning


Hej E-Mail-Adresser Dårligt For Genoptagelser
Hej E-Mail-Adresser Dårligt For Genoptagelser

9 Kølige Fakta Om Magneter
9 Kølige Fakta Om Magneter

Videnskab Nyheder


Mystery Of Death Valley 'Sailing Stones' Løst
Mystery Of Death Valley 'Sailing Stones' Løst

Beyond Shellfish Er Ocean Acidification Dårlig For Mennesker (Op-Ed)
Beyond Shellfish Er Ocean Acidification Dårlig For Mennesker (Op-Ed)

Sådan Arbejder Black Boxes
Sådan Arbejder Black Boxes

Distraheret Kørsel: Teksting & Anden Automobile Diversions (Infographic)
Distraheret Kørsel: Teksting & Anden Automobile Diversions (Infographic)

Hvor Kort Kan Din Træning Være?
Hvor Kort Kan Din Træning Være?


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com