Sådan fungerer kemiske sensorer

At trække vejret ind og ud er noget, vores kroppe gør, uden at vi behøver at tænke over det. Faktisk, vi tænker sjældent endnu en gang over luften omkring os, før kvaliteten på en eller anden måde er lav - måske fra røgen fra en nærliggende brand eller smog, der omslutter vores overfyldte byer.

Men der kan være farlige gasser, der ikke altid er synlige. Kulilte og radon er to eksempler på dødelige luftforurenende stoffer, der er helt usynlige. Vi er ikke klar over, at vi bliver forgiftet fra den luft, vi indånder, før det er for sent. Heldigvis disse gasser er ikke så udbredte, og ved hjælp af lidt kemisk sanseteknologi, vi kan lade kulilte- og radondetektorer gøre det bekymrende for os.

Kemiske sensorer er nyttige langt ud over blot at detektere dødelige gasser. Disse enheder kan findes i vores hjem, hospitaler og i militæret. Der er mange forskellige typer sensorer, der registrerer forskellige målmolekyler (også kendt som analytter ). Selvom sensorerne fungerer på forskellige måder, kernen er, at der sker en kemisk interaktion mellem analytten og noget i sensoren, og enheden producerer et målbart signal - et bip eller en farveændring for at advare os om tilstedeværelsen af ​​målmolekylet.

På trods af forskellene i konstruktion af sensorer, der er et par vejledende principper, der gør enhver sensor god. Den ideelle er billig, idiotsikker og bærbar. Mest vigtigt, enhver kemisk sensor har to vitale træk:selektivitet og følsomhed. Der er mere end 10 milliarder molekylære stoffer i verden, så selektivt at opdage et enkelt stof er ikke en lille bedrift [kilde:National Research Council]. Følsomhed er også utrolig vigtig 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, emballagestørrelse og detektionsgrænse - den laveste mængde af et stof, der kan påvises.

1. Så følsom! Hvordan sensorer opdager målmolekyler
2. Hvordan kemiske sensorer hjælper
3. Sci-fi-registrering bliver en realitet

Så følsom! Hvordan sensorer opdager målmolekyler

Forskere og ingeniører har udviklet en række sensorer til forskellige formål, og som du kan forestille dig, de har alle deres egne måder at arbejde på. Trods alt, et graviditetstestsæt har sandsynligvis ikke den samme detektionsmekanisme som en radondetektor, ret?

Alle kemiske sensorer retter sig mod en slags analyt, men hvad der sker, når analytten er i sensoren, er, hvor forskellene viser sig. For eksempel, sensoren kan binde analytten (tænk på en lås-og-nøgle-mekanisme, men på molekylært niveau). Eller, sensoren kan sættes op, så analytten selektivt passerer gennem en tynd film. Forestil dig, at filmen er en kemisk portvogter, der kun slipper målmolekylet igennem og forhindrer alt andet i at gå ind. Denne type sensor har det positive træk at være løbende genanvendelig. En tredje form for sensor bruger 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 sensorer, men der er stadig andre typer.

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

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

Hvordan kemiske sensorer hjælper

Uanset hvordan de fungerer, kemiske sensorer er, uden tvivl, arbejder for dig. Dit hjem har sandsynligvis mindst en detektor for radongas, røg eller kulilte, afhængigt af lovene i din stat eller land. Mange radonsensorer virker ved at absorbere selve radonen eller detektere de radioaktive henfaldsprodukter fra den dødelige gas. Carbonmonoxid, på den anden side, ikke er et radioaktivt materiale, så detektorerne for denne gas fungerer forskelligt. En af de mest almindelige mekanismer for denne kemiske sensor er et riff på biologi. Disse detektorer efterligner, hvordan kulilte interagerer med hæmoglobin i blodet for at bestemme tilstedeværelsen af ​​gassen. En anden almindelig detektor i hjemmet er en røgdetektor. Mens nogle bruger radioaktive materialer til at hjælpe med at snuse røg, det meste af sansningen i røgdetektorer kommer fra det fysiske, ikke kemisk, fænomen, hvor røgpartiklerne forårsager interferens, der registreres af detektoren.

Kemiske sensorer har også udbredt anvendelse uden for hjemmet. Et af de vigtigste steder, du vil se disse enheder i aktion, er på jagt efter biomolekyler i medicinske omgivelser. Biomolekylsensorer er hovedsageligt specialiserede kemiske sensorer. Selvom de opdager stoffer som hormoner, disse kropslige stoffer er alle molekyler. Trods alt, disse sensorer er fremstillet med mange af de samme vejledende principper som andre kemiske sensorer - selektivitet, følsomhed og bærbarhed.

Nogle af de mest bærbare biomolekylesensorer, du måske er opmærksom på, er forbundet med fertilitetsmålinger:graviditetstest og ægløsningstest. Begge disse kemiske sensorer registrerer tilstedeværelsen af ​​visse hormoner i urinen. Ved graviditetstests, sensoren leder efter hormonet humant choriongonadotropin (hCG) i urinen. Pinden, som kvinden tisser på, har antistoffer, der er belagt med et kemikalie, der binder sig til hCG. Hvis biomolekylet er til stede, testen lyder positiv [kilde:Forældremagasin]. Normalt har disse kemiske sensorer en kolorimetrisk komponent, så når analytten - i dette tilfælde hCG - binder, det udløser en farveændring i sensoren, gør aflæsning af resultaterne ret idiotsikre.

I de kliniske rammer, to af de mest almindelige metoder til kemisk baseret biomolekyldetektion er ELISA (enzymbundet immunoabsorbentassay) og Western blot. Afhængigt af størrelsen og typen af ​​det pågældende biomolekyle og de oplysninger, de ønsker om molekylet, forskere og klinikere vil ofte henvende sig til en af ​​disse kemiske sanseteknikker for at identificere forskellige analytter i blandinger af biomolekyler [kilder:ThermoFisher Scientific, Mahmood og Yang].

Sci-fi-registrering bliver en realitet

En stor drivkraft for de fremtidige retninger inden for kemisk sansning er militæret. Finansieringsbureauer som U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har store drømme om, hvad kemisk sensing måske kan gøre for sine væbnede styrker. Forestil dig at kunne sætte en sensor på toppen af ​​et telt i en krigszone, der kan detektere sprængstof eller giftige gasser 6 kilometer væk.

Eller forestil dig en sensor, der er så lille, det kan indlejres i stoffer. Når sensoren registrerer et giftigt middel, stoffets farve ændres, advare soldater om tilstedeværelsen af ​​kemiske toksiner i luften. Hvad med en sensor, der kunne advare soldater om deres dehydrering? Implikationerne for sådan teknologi ville ikke kun være overhånden i kamp, men også redde potentielt tusinder af liv.

Kemikalier kan også placeres i lufthavne for at hjælpe med at stoppe terrorisme ved at opdage små koncentrationer af sprængstoffer uden at vi skal undergå de omfattende problemer med sikkerhedslinjerne. Faktisk, forskere har allerede afsløret en sensor, der hurtigt kan opdage stoffer og sprængstof tæt på 30 fod (30 meter) væk med lufthavne for øje [kilde:Engineering360]. Disse sensorer kunne installeres ved lufthavnens indgange og andre steder med store grupper af mennesker. Nogle typer kemiske sensorer kan endda tilsluttes mobiltelefoner for at scanne større områder, når lovhåndhævende embedsmænd bevæger sig rundt [kilde:Hsu].

Selvfølgelig, kemiske sensorer behøver ikke kun at blive brugt til at aflede uhyggelige aktiviteter. Påvisning af metalkontaminanter i vand og muligvis giftige kemikalier i luften via sensorer i sikkerhedsmærker er blot nogle af måderne, hvorpå kemiske sensorer ændrer vores verden.

Masser mere information

Forfatterens note:Sådan fungerer kemiske sensorer

Nanopartikelsensorer syet i stof, der kunne fortælle mig mere om mig selv eller luften omkring mig? Dette er seriøst tingene i sci-fi. Bortset fra at det ikke er det. Måske er det militæret, der skubber forskningen fremad på ting som denne, men kort tid efter begyndte soldater at bruge det, det vil være almindeligt for os andre. Giver bærbar teknologi en helt ny betydning.

relaterede artikler

• Hvordan virker bevægelsesfølende lys og tyverialarmer?
• Sådan fungerer smarte bomber
• Sådan fungerer røgdetektorer
• 10 fantastiske ting hunde kan fornemme
• Sådan fungerer biologisk og kemisk krigsførelse

Flere store links

• DARPA
• National Research Council

Kilder

• Bender, Eric. "Kemisk sansning på en chip." MIT Nyheder. 8. april kl. 2016. (2. november, 2016) http://news.mit.edu/2016/chemical-sensing-chip-anuradha-agarwal-0408
• Sort, Angela. "Sådan fungerer kulilte detektorer." HowStuffWorks.com. 30. december kl. 2008. (2. november, 2016) https://home.howstuffworks.com/home-improvement/household-safety/tips/carbon-monoxide-detector.htm
• Hjerne, Marshall. "Sådan fungerer røgdetektorer." HowStuffWorks.com. 1. april kl. 2000. (2. november, 2016) https://home.howstuffworks.com/home-improvement/household-safety/fire/smoke.htm
• Hjerne, Marshall og Freudenrich, Craig. "Sådan fungerer Radon." HowStuffWorks.com. 4. oktober kl. 2000. (2. november, 2016) https://home.howstuffworks.com/home-improvement/household-safety/tips/radon.htm
• Teknik360. "Kemikaliesensor med høj hastighed kan hjælpe lufthavnens sikkerhed." 29. august 2016. (4. nov. 2016) http://insights.globalspec.com/article/3146/high-speed-chemical-sensor-could-aid-airport-security
• Hsu, Jeremy. "Smartphones kunne danne kemiske detektionsnetværk." LiveScience. 27. november kl. 2009. (4. nov. 2016) http://www.livescience.com/5915-smartphones-form-chemical-detection-networks.html
• Mahmood, Tahrin og Yang, Ping-Chang. "Western Blot:Teknik, Teori, og fejlfinding. "North American Journal of Medical Sciences. bind 4. nr. 9. 429-434. september 2012. (4. nov. 2016) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3456489/
• Millstone, Jill. lektor i kemi, University of Pittsburgh. Personligt interview. 25. oktober kl. 2016.
• National Research Council. "Udvidelse af sensormaterialers vision." National Academies Press. 1995. https://www.nap.edu/read/4782/chapter/1
• Forældremagasin. "Hvordan fungerer graviditetstest?" 2009. (3. nov. 2016) http://www.parents.com/advice/pregnancy-birth/getting-pregnant/how-do-pregnancy-tests-work/
• ThermoFisher Scientific. "Oversigt over ELISA." (4. november kl. 2016) https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/protein-biology/protein-biology-learning-center/protein-biology-resource-library/pierce-protein-methods/overview- elisa.html