Презентация "Химические сенсоры"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

«Бодеевская средняя общеобразовательная школа»

Лискинского муниципального района Воронежской области

Выполнила: Хитрова Юлия

Ученица 10 класса

МКОУ «Бодеевская СОШ»

• изучить историю открытия сенсоров;
• изучить классификацию и принцип работы химических сенсоров;
• выявить преимущества и недостатки хс;
• выяснить, как биосенсоры используют для улучшения здоровья человека.

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. Например, если речь идет о нашем здоровье, то в будущем можно представить себе, что у каждого из нас будет такое самодиагностирующее устройство размером с кредитную карточку со встроенными в него разнообразными биосенсорами, которое позволит нам в любой момент узнать все о состоянии нашего здоровья.

• Началом истории химических сенсоров можно считать конец XIX - начало XX века. В это время появился прообраз катарометра (1880 г.), который использовался для определения содержания водорода в водяном паре .
• двухэлектродная ячейка Кольрауша (1885 г.)

• металлические электроды Нернста (1888 г.)

• стеклянный электрод Кремера (1906 г.)

• В 1952 г. Мартином и Джеймсом был предложен газовый хроматограф.

• Следующим важным моментом  можно считать предложение  Бергфелда объединить чувствительную мембрану с затвором полевого транзистора. Это предложение привело к  появлению ионоселективного полевого транзистора.
• Кларк и Лионе в 1967 году изобрели биосенсор

Классификация химических сенсоров

В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химические сенсоры подразделяют

• • электрохимические (потенциометрические, кулонометрические и др.);
• • электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.);
• • магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.);
• • термометрические ;
• • оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);
• • биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.);
• • и др.

Классификация сенсоров

• По виду входных величин сенсоры делятся на активные и пассивные .
• В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу (напряжение, сила и т. д.),
• в пассивных же входные величины имеют неэнергетический характер (электрические ёмкость, сопротивление и др.).

Классификация сенсоров

• По числу воспринимаемых и преобразуемых величин

• одномерные датчики, оперирующие с одной величиной,

• n-мерные ( многомерные ), воспринимающие несколько ( n ) входных величин.

Классификация сенсоров

• По числу выполняемых (измерительных) функций

• Однофункциональные ,

• многофункциональные датчики.
• Многофункциональные могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнительных функций.
• Многофункциональные датчики иногда называют также интеллектуальными . К таким датчикам, в принципе можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, с аналого-цифровым преобразованием, с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

• К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие: • операции обработки данных и фильтрацию;
• К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие: • операции обработки данных и фильтрацию;
• К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие: • операции обработки данных и фильтрацию;
• К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие:
• К дополнительным функциям многофункциональных сенсоров можно отнести следующие:
• • операции обработки данных и фильтрацию;

• • коррекцию погрешностей;
• • хранение сигналов;
• • преобразование «поля» сигналов в изображение;
• • защиту от влияния помех;
• • и др.

Классификация сенсоров

• По числу преобразований энергии и вещества

• одноступенчатые,
• многоступенчатые .

Классификация сенсоров

• По технологии изготовления
• элементные , изготавливаемые из набора отдельных элементов, и

• интегральные , в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии.

• Особо выделяются биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используется рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества, а также – электронная часть, формирующая измерительные сигналы.

Классификация сенсоров

• По взаимодействию с источниками информации
• контактные и
• бесконтактные (дистанционного действия).

Классификация сенсоров

• По виду измерительных сигналов
• аналоговые и

• цифровые .

• Для анализа работы аналоговых и цифровых датчиков должен быть использован соответствующий виду анализируемых сигналов математический аппарат.

Принцип работы хс

ХС состоит из химического селективного слоя датчика, дающего отклик на присутствие определяемого компонента и изменение его содержания, и физического преобразователя (трансдьюсера). Последний преобразует энергию, возникающую в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал, который затем измеряется с помощью светочувствительного и/или электронного устройства. Этот сигнал и является аналитическим, поскольку дает прямую информацию о составе среды (раствора). ХС могут работать на принципах химических реакций.

Характеристика хс

• а)Селективность.
• б)Чувствительность.
• в)Точность.
• г)Природа раствора.
• д)Время отклика.
• е)Время регенерации.
• ж)Срок эксплуатации сенсора

биосенсоры

Любой биосенсор состоит из двух принципиальных функциональных элементов: биоселектируюшей мембраны, использующей различные биологические структуры, и физического преобразователя сигнала (трансдьюсера), трансформирующего концентрационный сигнал в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала. В качестве биоселектируюшего материала используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки

Принципиальная схема биохимического сенсора

1 – исследуемый раствор; 2 – корпус биосенсора, 3 – полупроницаемая мембрана (для механического удержания биослоя), 4 – слой биоматериала, 5 – физический преобразователь (электрод, пьезокристалл и т.д.), 6 - усилитель сигнала, 7 - самописец

Уникальная особенность биосенсоров

• в отличие от химических датчиков является высокая специфичность биоузнающего элемента, а также его способность осуществлять узнавание без дополнительных затрат энергии и внешних воздействий (повышения температуры, наложения потенциала и т.д.).
• Подобная специфичность позволяет количественно определять индивидуальное анализируемое вещество либо группу веществ в смеси огромного числа подобных соединений.
• Например, при помощи фермента глюкозоксидазы можно анализировать содержание глюкозы как в присутствии прочих моносахаридов, так и при наличии ди-, три- и полисахаридов, содержащих остатки глюкозы, поскольку фермент имеет абсолютную специфичность.

Преимущества и проблемы использования биосенсоров

• Основные преимущества биосенсоров : 1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки; 2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах; 3) они дают быстрый ответ; 4) они безопасны для использования; 5) они точны; 6) они могут быть очень маленькими; 7) они доступны для массового производства

• Основные недостатки биосенсоров : 1) они не очень прочны, поэтому нуждаются в тщательном уходе; 2) они не очень стабильны; 3) их нельзя стерилизовать.

Пример биосенсора , используемый для определения содержания глюкозы в крови больных диабетом