Применение сенсоров в торговле реферат

Обновлено: 04.07.2024

а протяжении едва ли не всей истории аналитической химии одна из самых важных ее задач состояла и состоит в том, чтобы устанавливать связи между составом и каким-либо легко измеряемым свойством и использовать выявленные закономерности, то есть эти связи, для разработки способов определения концентрации и соответствующих устройств. К этим устройствам относятся и датчики, или химические сенсоры, которые дают прямую информацию о химическом составе среды (раствора), в которую погружен датчик, без отбора анализируемой пробы и ее специальной подготовки.

Содержание

1 ВВЕДЕНИЕ 3
2 ИСТОРИЯ РАЗИТИЯ ХИМИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ 4
3 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ХИМИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ 5
4 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ 7
5 БИОСЕНСОРЫ 10
6 ОПТИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ 12
7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15
8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Работа состоит из 1 файл

Химическе сенсоры.doc

Загрязнение окружающей среды и в первую очередь атмосферы вредными химическими веществами является в настоящее время самым мощным и постоянно действующим фактором воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Задачи контроля состояния окружающей среды требуют разработки и создания датчиков для определения различных параметров, в частности температуры, давления, влажности, концентрации химических веществ и др.

Аналогичные задачи актуальны также и в таких областях как химия, биотехнология и медицина. Несомненно, перспективно применение химических сенсоров в электронной промышленности и в системах безопасности, например, на авиатранспорте, в угольной промышленности, на военных и других, критически важных объектах.

Существующий в последние годы и все возрастающий интерес к разработке и использованию оптических химических сенсоров связан со следующими их наиболее важными преимуществами:

− высокая скорость отклика;

− возможность бесконтактного обнаружения;

− нечувствительны к электромагнитным полям (не оптической частоты);

− нечувствительны к радиационным полям;

− способность передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния (например, по оптоволокну);

− удобство мультиплексирования сигналов;

− высокая плотность передачи данных;

− стойкость к вредным воздействиям окружающей среды;

− удобство применения интегральной технологии.

Основными недостатками оптических химических сенсоров являются: достаточно высокая, хотя и селективная чувствительность к световым помехам, а также определенная подверженность влиянию температуры (в случае использования полупроводников при изготовлении сенсора).

Установлено, что при использовании высоко устойчивой миниатюрной электронной схемы сравнения на основе прецизионных операционных усилителей и компьютерной регистрации и обработке данных измерений интегрально- оптический химический сенсор демонстрирует хорошие метрологические характеристики.

Датчики на основе интегрально-оптических волноводов могут найти применение, например, в системах контроля качества воздуха. По нашему мнению есть хорошая перспектива использования датчиков этого типа для исследования также веществ, растворенных в жидкостях, например, в биомедицинских, физико-химических и экологических исследованиях.

8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Виглеб Г. Датчики. – М.: Мир, 1989.

2. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. – М.: Научный мир, 2000.

3. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы // Датчики и системы, 2001, № 3, С. 46-50.

4. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков // Датчики и системы, 2000, № 5, С. 2-3.

В последнее десятилетие появились новые контакты между весьма далекими областями: биохимией и электроникой. Их взаимное проникновение позволило создать новую сферу интересов науки – биоэлектронику. Для начала в данной области появились новые устройства для анализа, а также переработки информации, которые получили название биосенсоры. Они рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств.

Эти миниатюрные электронные устройства, оснащенные биологическими элементами, превращаются в двигатели технологической революции. В скором времени в нашу жизнь должны войти особые биосенсоры, способные контролировать и информировать о процессах, отследить которые человек напрямую не способен.

Что такое биосенсоры

Кларк предлагал использовать ферментный электрод, то есть электрохимический датчик с ферментом, иммобилизованным на его поверхности. За последние десятилетия данная идея получила серьезное развитие. Изобретено и исследовано много систем, часть из них прошла апробирование и промышленную реализацию. Большая часть из них ориентирована на проведение анализа биологических жидкостей. К примеру, кровь состоит из тысячи разных соединений. Для определения концентрации глюкозы или иного соединения данное устройство подходит лучшим образом. Для людей, которые страдают диабетом, это является жизненно важным клиническим анализом.

В чувствительном слое устройства имеется биологический материал: ДНК, рецепторы, органеллы, липосомы, антитела, антигены, дрожжи, бактерии, ткани и ферменты. Они непосредственно реагируют на присутствие определяемого компонента, обеспечивая генерирование сигнала в зависимости от его концентрации.

Разновидности

Существует огромное количество принципов классификации биосенсоров, которые завися от:

Природы биохимического компонента.
Аналитических задач.
Преобразователя сигнала.
Областей потенциального применения.
Особенностей генерируемого сигнала.

Наиболее часто выделяют следующую классификацию:

По биохимическому компоненту;
— сенсоры на основе клеточных тканей и микроорганизмов;
— ДНК-сенсоры;
— иммуносенсоры;
— ферментные сенсоры;
— сенсоры на базе надмолекулярных клеточных структур;
По способу измерения сигнала;
— физические;
— оптические;
— электрохимические;
— гибридные;
По сигналу;
— стационарные (равновесные);
— динамические (кинетические);
По области применения;
— пищевая промышленность;
— биотехнология;
— медицина;
— экология.

Классификация по биохимическому компоненту:

Ферментные сенсоры предполагают биологические препараты (гомогенны микробных культур или тканей) или чистые препараты фермента, которые проявляют определенную биологическую активность.
Иммуносенсоры в качестве биохимического рецептора применяют иммуноглобулины – это защитные белки, которые выделяются иммунной системой организма в ответ на воздействие чужеродных биологических соединений (антигенов).
ДНК-сенсоры включают нуклеиновые кислоты (ДНК) в качестве биохимического компонента.
Микробные сенсоры задействуют микроорганизмы, которые способны проводить при помощи ферментов превращение определенного вещества. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что во время превращения субстрата может использоваться совокупность ферментов, а не только один.
Биосенсоры на базе надмолекулярных структур клетки находятся в промежуточном положении между ДНК-сенсорами, ферментными и микробными сенсорами, так как в их основе используются внутриклеточные структуры, которые имеют весьма сложное иерархическое строение.

Классификация по способу измерения:

Электрохимические биологические сенсоры действуют по принципу измерения электрического тока, который возникает вследствие восстановления или окисления электрохимически активных веществ на рабочем электроде, либо на измерении разности потенциалов электродом сравнения и рабочим электродом при постоянном токе.
Пьезоэлектрические устройства чувствительны к изменению массы, плотности на поверхности физического носителя, а также частоты колебаний акустических волн и вязкости среды.
Оптические сенсоры реагируют на физическо-оптические параметры, а не на химическое взаимодействие компонента с чувствительным элементом. Это может быть интенсивность поглощения, люминесценция объекта, отражение света и так далее.

Устройство

Любые биосенсоры конструктивно представляют комбинированное устройство, которое состоит из двух принципиальных функциональных элементов: физического и биохимического, они находятся в тесном контакте.

Биохимический элемент представлена биоселектирующой структурой, которая выступает в роли биологического элемента распознавания. В качестве его могут использоваться все типы биологических структур: нуклеиновые кислоты, рецепторы, антитела, ферменты и даже живые клетки.
Физический преобразователь сигнала преобразует определяемый компонент, то есть концентрационный сигнал в электрический.
С целью считывания и записи информации применяются электронные системы усиления, а также регистрации сигнала.

Биосенсоры выполнены из трех частей:

Биоселективный элемент — биологический материал (к примеру, нуклеиновые кислоты, антитела, ферменты, клеточные рецепторы, органеллы, микроорганизмы, ткани и так далее), биомимик или материал биологического происхождения. Чувствительный элемент также может создаваться биоинженерией.
Элемент преобразователя действует на физико-химических принципах (электрохимический, пьезоэлектрический или оптический), он преобразует сигнал, который появляется в результате взаимодействия в иной сигнал, который легче измерить.
Связанная электроника помогает отображать результаты в виде, который удобен для пользователя.

Принцип действия

Принцип работы устройства достаточно прост:

Это своего рода детекторы, действие которых базируется на специфичности молекул и клеток. Они применяется для измерения и идентификации количества малейших концентраций самых разных веществ. При связывании биологического компонента с искомым веществом преобразователь генерирует оптический или электрический сигнал, мощность которого находится в пропорциональной зависимости от концентрации вещества.

Так в ферментных устройствах определяемое вещество через полупроницаемую мембрану диффундирует в тонкий слой биокатализатора, где и осуществляется ферментативная реакция. Так как продукт ферментативной реакции в этом случае определяется при помощи электрода, на поверхности которого имеется фермент, то подобное устройство часто называют ферментным электродом.

В микробных сенсорах, состоящих из иммобилизованных микроорганизмов, а также электрохимического датчика, принцип работы заключается в ассимиляции органических соединений микроорганизмами. Это действие регистрируется электрохимическими датчиками.

Особенности

Многие ферменты быстро теряют свою активность и являются дорогими, поэтому их не всегда целесообразно применять. Поэтому чаще всего для создания биологических сенсорных устройств применяются биологические ткани разного происхождения, микроорганизмы и бактерии. Однако у них имеется ощутимый недостаток — низкая селективность определения, так как клетки живых организмов по факту являются источником разнообразных ферментов.
Расширение сферы применения биологических сенсорных устройств вызвано только высокой чувствительностью данных систем, но также наличием полного набора реагентов, требуемых для определения концентрации конкретного вещества.

Применение

Применение в пищевой промышленности. В большинстве случаев сенсоры применяются для определения этилового спирта, сахаров и крахмала. Для измерения безопасности, свежести и пищевой ценности продуктов питания.
Применение в медицине. Биологические сенсоры на текущий момент находят широчайшее применение именно в медицине. Ферменты все чаще используются для автоматизированного, но рутинного анализа содержания гормонов, лекарств и метаболитов в биологических жидкостях человека. Такие устройства в особенности важны для клинической диагностики в больницах.

Благодаря их применению уменьшается риск ошибок при постановке диагноза, в том числе снижаются затраты, так как подобные сенсоры доступны и широко распространены. Диагностика при помощи биологических сенсоров позволяет врачам-терапевтам выполнять анализы прямо в их кабинетах без использования услуг лабораторий.

Обнаружения и выяснения степени загрязнения окружающей среды.
Определения количества токсинов, взрывчатых веществ и биологического оружия.

Тест-методы и сенсоры — это группа аналитических устройств для прямого, селективного, максимально автоматизированного в случае сенсоров, а также простого и быстрого контроля или диагностики разнообразных объектов. Они не заменяют обычных методов анализа, а позволяют получать оперативные данные о состоянии объекта и принимать решение о необходимости отбора пробы и последующего лабораторного анализа.

Появление и применение в качестве инструмента химического анализа тест-методов и сенсоров связано с несколькими причинами:

Одной из основных является накопление большого количества техногенных веществ в окружающей среде, вызвавшее необходимость постоянной оценки уровня загрязненности больших территорий. Отбор огромного числа проб и их анализ в стационарных лабораториях потребовал бы резкого увеличения численности аналитиков, количества проведенных анализов и, соответственно, не всегда оправданных материальных затрат. Используя тест-методы и сенсоры, оценку содержания того или иного вещества в воздухе, воде, почве, растениях и т. д. прямо на месте может производить не только химик-аналитик, но и геолог, эколог, биолог и т. д.

Другая область применения тест-методов и сенсоров — контроль появления ядовитых или отравляющих и других опасных веществ в воздухе рабочей зоны, населенных пунктах, а также состояния среды в труднодоступных условиях, например при извержении вулканов, или в организме человека.

Тест-методы

В тест-методах используются упрощенные приемы и приспособления для быстрого обнаружения и полуколичественной оценки содержания химических веществ в различных объектах без отбора пробы, т. е. в полевых условиях. Тест-методы обычно не требуют сложного лабораторного оборудования и специального обучения персонала.

Тест-методы могут быть химическими, биохимическими и биологическими. Конструктивно они выполняются в виде индикаторных лент, полосок, трубок или специальных наборов растворов реагентов с вспомогательными приспособлениями для проведения реакций.

Химические и биохимические тест-наборы, как правило, снабжаются стандартными цветовыми шкалами, по которым оценивают приближенное содержание определяемого компонента в объекте.

Химические тест-методы используют реакции с окрашенными неорганическими или органическими реагентами, которые при контакте с определяемым компонентом изменяют цвет. Окрашенный реагент наносят на твердую матрицу, в качестве которой используют впитывающую целлюлозную бумагу, полимерные материалы или неорганические сорбенты. Закрепление реагентов на матрице может быть адсорбционным или ковалентным.

Устройства, используемые в тест-методах, несмотря на их простоту, могут обладать многофункциональным действием. Они позволяют производить предварительное разделение и концентрирование веществ, их окисление или восстановление и в связи с этим содержать несколько слоев. Измерение концентрации может проводиться сравнением полученного эффекта с приложенной шкалой, а также по длине окрашивающейся или обесцвечивающейся зоны. Контакт с анализируемым объектом осуществляется прямым опусканием РИБ (реактивная индикаторная бумага) в жидкость или прокачиванием воздуха через индикаторную трубку.

В биохимических тест-методах на матрице иммобилизируют различные ферменты, антигены или антитела.

Биотесты позволяют контролировать содержание болезнетворных микроорганизмов в природных и питьевых водах.

Тест-методы применяют для качественного и количественного экспресс-анализа природных и сточных вод, технологических растворов, биологических жидкостей, воздуха и других газовых сред при оценке экологической ситуации, санитарном и технологическом контроле, медицинском обследовании. С помощью РИБ определяют ионы меди, никеля, цинка, кобальта, ртути в степени окисления 2 + , железа(2 + ,3 + ) с пределами обнаружения 0,001—0,1 мг/л, ацетон, глюкозу в крови и моче, кислотность (рН) среды, формальдегид, нитраты, нитриты.

Для определения газов и отравляющих веществ чаще используют индикаторные трубки.

Наборы для тестового определения веществ выпускаются как зарубежными, так и отечественными фирмами.

Сенсоры

Сенсорами (от лат. sensus — чувство) называют чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие аналитический сигнал, интенсивность которого зависит от концентрации определяемого вещества в объекте.

Для сенсоров характерны малая масса (редко превышающая 200 г) и габариты примерно 100 х 50 х 20 мм, автономный, автоматизированный режим работы и малый расход энергии.

В отличие от тест-методов сенсоры позволяют проводить не визуальное, а инструментальное количественное измерение содержания вещества, связанное с предварительной градуировкой прибора по стандартам.

Сенсоры (сенсорные анализаторы) являются по сути дела основными элементами нового поколения аналитических приборов, включающих устройство для ввода пробы, чувствительный элемент, обработку аналитического сигнала и выдачу конечного результата о концентрации компонента.

Типы сенсоров

Существует три типа сенсоров: физические, химические и биосенсоры.

В физических сенсорах какие-либо реакции отсутствуют, а под влиянием анализируемого вещества изменяются электрические, тепловые, магнитные или спектральные характеристики.

Химические сенсоры и биосенсоры

Химический сенсор - это устройство, избирательно
реагирующее на конкретный химический объект путем
химической реакции и которое можно использовать для
качественного или количественного определения

Очевидно, что такое определение охватывает все сенсоры, основанные на химических реакциях, в том числе высокоспецифические и чувствительные биохимические и биологические реакции для специфического распознавания.

Результатом химической реакции является сигнал изменение цвета, флуоресценция, изменение поверхностного электрического потенциала, выделение тепла или изменение колебательной частоты кристалла. Преобразователь откликается на этот сигнал и преобразует величину сигнала в данные о количестве аналита

Типы химических сенсоров

Масс-чувствительные (основан на использовании пьезоэлектрического эффекта)

Действие биосенсоров основано на важнейших химических реакциях, на реакциях, от которых, без преувеличения, зависит сама жизнь. Реакции антитело/антиген, фермент/субстрат, рецептор/гормон - все они используются для получения высокоселективных и чувствительных сенсоров на конкретные определяемые вещества.

В биосенсорах узнающим реагентом обычно является макромолекула, иммобилизованная внутри мембраны, либо химически связанная с поверхностью, контактирующей с раствором определяемого вещества.

Между реагентом и определяемым веществом проходит специфическая химическая реакция. Это может быть либо прямое взаимодействие реагента с определяемым веществом, как в случае реакции антиген/антитело, либо каталитическое взаимодействие иммобилизованного фермента с определяемым веществом с образованием легко определяемого продукта. В качестве трансдьюсеров могут использоваться любые из упомянутых выше.

Отличительный признак химических сенсоров и биосенсоров — наличие рецептора — слоя молекул или частиц вещества, участвующего в химических, биохимических или биологических процессах, протекающих при контакте сенсора с определяемым компонентом объекта.

Другим необходимым элементом таких сенсоров является преобразователь энергии (трансдьюсер) указанных аналитических процессов в электрический или световой сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается в электронном блоке и подается на дисплей.

Химические сенсоры дают прямую информацию о составе среды без отбора пробы и ее какой-либо предварительной подготовки. Они могут работать автономно и обычно связаны с системой накопления информации и ее обработки.

Для повышения избирательности химических сенсоров перед химически чувствительным слоем обычно размещают ионообменные и иные мембраны, селективно пропускающие частицы определяемого вещества.

Биосенсоры

В биосенсорах рецепторами являются ферменты, антитела, антигены, биологические мембраны (биохимические сенсоры), или микроорганизмы (биологические сенсоры).

Основная область применения биосенсоров — анализ жидких сред в медицине, биотехнологии, химической, пищевой промышленности и окружающей среде. О содержании определяемого вещества в объекте часто судят по концентрации продуктов биохимической реакции, например пероксида водорода, кислорода и т. д. Преимуществами биосенсоров являются высокая селективность и чувствительность определений, недостатками — невысокая стабильность, трудность получения биоорганического материала постоянного состава.

Трансдьюсерами в биосенсорах могут быть электрохимические и оптические преобразователи, калориметрические системы и т. д.

Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры.

Сочетание ферментативных и электрохимических реакций позволило разработать многие биосенсоры для определения аминокислот, глюкозы, мочевины и других продуктов жизнедеятельности.

Применения биосенсоров весьма многообразны, известны биосенсоры для определения фенолов, пролина, тирозина и других аминокислот, глюкозы, молочной и аскорбиновой кислот и т. д.

Уникален экспресс-анализ качества воды и сточных вод на основании определения БПК (биологическое потребление кислорода). Традиционный метод анализа занимает несколько дней, биосенсор с иммобилизированными клетками дает те же результаты в течение нескольких минут.

Основной областью приложения биосенсоров является анализ жидких сред в медицине, пищевой и химической промышленности, биотехнологии. Применение биосенсоров в качестве биологического компонента ДНК может радикально изменить диагностику заболеваний, особенно на ранних стадиях. Интенсивно ведутся работы для ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, предрасположенности к раку и т. д.

Сенсоры предназначены для прямого определения конкретного вещества в заданном диапазоне концентраций при фиксированных способах ввода пробы и обработки полученной информации.

Сенсоры могут входить в состав более сложных аналитических приборов.

На основе сенсоров конструируют сенсорные анализаторы, представляющие собой батарею отдельных сенсоров, каждый из которых дает информацию о содержании отдельного компонента.

Подключенная к компьютеру, такая батарея обеспечивает анализ сложных многокомпонентных смесей.

Сенсорные анализаторы широко используются в различных областях промышленности, энергетике, транспорте, медицине, экологии, сельском хозяйстве. Большое значение имеет своевременное обнаружение взрывчатых, горючих, химически вредных веществ, утечки ракетного топлива и т. д.

Обряды и обрядовый фольклор: составляли словесно-музыкальные, драматические, игровые, хореографические жанры, которые.

Что входит в перечень работ по подготовке дома к зиме: При подготовке дома к зиме проводят следующие мероприятия.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Министерство образования Российской Федерации

Нижегородский государственный технический университет

Дзержинский филиал Кафедра

Автоматизация технологических процессов и производств Магистерская диссертация по теме: Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки. Выполнил:

магистрант гр. 95-АТПМ-1

Ермаков Е. С. Зав. кафедрой АТПП:

Сажин С.Г. Научный руководитель:

Сажин С.Г. г. Дзержинск

В условиях современности проблема контроля за состоянием окружающей среды выходит на все более ведущее место. Контроль этот осуществляется как стационарными приборами, так и портативными. К стационарным приборам можно отнести инфракрасные спектрометры, газовые хроматографы, массовые спектрометры и некоторые другие. Работа портативных приборов основана на использовании твердотельных преобразователей. Такие преобразователи позволяют осуществлять миниатюризацию приборов, снижать потребляемую ими мощность, а также дают возможность производить их с помощью технологии микроэлектроники, ну а это - качество, надежность и возможность создания многоточечных систем контроля. Разработка такого рода приборов является актуальной проблемой микроэлектроники и автоматики. [1].

Химический твердотельный сенсор представляет собой микроэлектронное устройство, которое преобразует изменение химических свойств среды или состава среды в электрический сигнал [2]. Одним из наиболее перспективных направлений в разработке химических сенсоров является создание устройств на поверхностно-акустических волнах (ПАВ). ПАВ устройства привлекательны для применения в качестве химических микросенсоров в силу своей чувствительности, малого размера и дешевизны изготовления на основе технологии микроэлектроники. Так же преимуществом ПАВ сенсоров является высокая чувствительность скорости распространения поверхностно-акустической волны к любым изменениям свойств поверхностного материала. Это объясняется тем, что чувствительность таких сенсоров растет пропорционально квадрату рабочей частоты прибора, а охватываемый диапазон рабочих частот изменяется от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.

Необходимо отметить, что область применения ПАВ сенсоров достаточно широка и разнообразна. Эти приборы также нашли свое применение в качестве датчиков температуры и давления, а, кроме того, дают возможность проводить исследование свойств различных полимерных пленок.

Основные принципы конструирования ПАВ сенсоров

В своей основной форме химический микросенсор представляет собой по меньшей мере два элемента: миниатюрная подложка и химически селективное покрытие [10].

Подложка имеет контакт с покрытием и обеспечивает возникновение электрического сигнала, чьи характеристики отражают состояние покрытия.

Покрытие имеет контакт со средой, содержащей химическое вещество, которое должно быть обнаружено. Различия в свойствах покрытия, посредством которых происходят те или иные химические взаимодействия, обеспечивают перенос вещества или энергии через подложку [10].

Читайте также: