Hoe Chemical Sensing Devices Werken

{h1}

Chemische detectie-inrichtingen zijn niet alleen voor het detecteren van radongas en koolmonoxide. Lees meer over waar en hoe ze worden gebruikt op WordsSideKick.com.

Ademen in en uit is iets dat onze lichamen doen zonder dat we erover hoeven na te denken. Sterker nog, we geven zelden een tweede gedachte aan de lucht om ons heen totdat de kwaliteit op de een of andere manier laag is - misschien door de rook van een nabijgelegen vuur of smog die onze drukke steden omhult.

Maar er kunnen gevaarlijke gassen zijn die niet altijd zichtbaar zijn. Koolmonoxide en radon zijn twee voorbeelden van dodelijke luchtverontreinigingen die volledig onzichtbaar zijn. We realiseren ons niet dat we vergiftigd worden door de lucht die we inademen tot het te laat is. Gelukkig zijn deze gassen niet zo veel voorkomend, en met de hulp van een beetje chemische sensing-technologie, kunnen we koolmonoxide en radon detectoren ons zorgen laten maken.

Chemische sensoren zijn veel beter dan alleen het detecteren van dodelijke gassen. Deze apparaten zijn te vinden in onze huizen, ziekenhuizen en in het leger. Er zijn veel verschillende soorten sensoren die verschillende doelmoleculen detecteren (ook bekend als analyten). Hoewel de sensoren op verschillende manieren werken, is de essentie dat er een chemische interactie plaatsvindt tussen de analyt en iets in de sensor en dat het apparaat een meetbaar signaal produceert - een piepsignaal of een kleurverandering om ons te waarschuwen voor de aanwezigheid van het doelmolecuul.

Ondanks de verschillen in de constructie van sensoren, zijn er enkele leidende principes die elke sensor goed maken. De ideale is goedkoop, waterdicht en draagbaar. Het belangrijkste is dat elke chemische sensor twee vitale functies heeft: selectiviteit en gevoeligheid. Er zijn meer dan 10 miljard moleculaire stoffen in de wereld, dus het selectief detecteren van een enkele stof is niet gering [bron: Nationale Onderzoeksraad]. Gevoeligheid is ook ongelooflijk belangrijk voor het detecteren van chemicaliën van een aanzienlijke afstand of voor het proberen te vinden van zeer lage concentraties van een doelmolecuul. Andere belangrijke sensorfuncties zijn responstijd, verpakkingsgrootte en detectielimiet - de laagste hoeveelheid van een stof die kan worden gedetecteerd.

Zo gevoelig! Hoe sensoren doelmoleculen detecteren

Zo gevoelig! Hoe sensoren doelmoleculen detecteren

Een koolmonoxidedetector kan voorkomen dat u wordt vergiftigd door gasdampen. BanksPhotos / Getty Images

Wetenschappers en technici hebben een verscheidenheid aan sensoren ontwikkeld voor verschillende doeleinden, en zoals u zich kunt voorstellen, hebben ze allemaal hun eigen manier van werken. Immers, een zwangerschapstestkit heeft waarschijnlijk niet hetzelfde detectiemechanisme als een radondetector, toch?

Alle chemische sensoren richten zich op een soort van analyt, maar wat er gebeurt als de analyt in de sensor zit, is waar de verschillen naar voren komen. De sensor kan bijvoorbeeld de analyt binden (denk aan een lock-and-key type mechanisme, maar dan op moleculair niveau). Of de sensor kan zo worden opgesteld dat de analyt selectief door een dunne film passeert. Stel je voor dat de film een ​​chemische gatekeeper is die alleen het doelmolecuul doorlaat en al het andere tegenhoudt om erin te gaan. Dit type sensor heeft het positieve kenmerk dat het continu herbruikbaar is. Een derde vorm van sensor verbruikt de analyt in een chemische reactie die een product genereert dat het leesbare signaal creëert [bron: Nationale Onderzoeksraad]. Deze drie zeer brede mechanismen hebben betrekking op de werking van de meeste sensoren, maar er zijn nog andere typen.

Er zijn bijvoorbeeld direct uitleesbare elektrochemische sensoren die de diffusie van geladen moleculen gebruiken om te zoeken naar veranderingen in stroom, geleidbaarheid of potentieel om te zien of een doelanalyt aanwezig is. Akoestische oppervlaktegolfsensoren gebruiken akoestische golven die van een elektrode naar een andere over een oppervlak worden verzonden. De sensor is zo ontworpen dat als de snelheid van de golf verandert of als deze de intensiteit verliest, deze de aanwezigheid van een aan het oppervlak gebonden doelmolecuul aangeeft. Door het meten van deze veranderingen kan de sensor zelfs hoeveelheden van het aanwezige materiaal detecteren [bron: Nationale Onderzoeksraad].

Een andere coole innovatie op het gebied van chemische sensortechnologie is gericht op het detecteren van inherente eigenschappen van verschillende chemische doelen in plaats van het gebruik van een moleculaire interactie om de detectie aan te sturen. Verschillende bindingen in moleculen hebben elk kenmerkende trillingspatronen die kunnen worden gedetecteerd in het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum. Door lichtbronnen, filters en detectoren op een enkele chip te combineren, hebben wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology deze moleculaire vingerafdrukken kunnen detecteren om een ​​hele reeks moleculen te detecteren, van verontreinigingen in water tot elektrolyten in het bloed van pasgeboren baby's [ bron: Bender].

Hoe chemische sensoren helpen

Ongeacht hoe ze werken, chemische detectie-apparaten werken zonder enige twijfel voor u. Uw huis heeft waarschijnlijk ten minste één detector voor radongas, rook of koolmonoxide, afhankelijk van de wetgeving in uw land of land. Veel radonsensoren werken door het radon zelf te absorberen of de radioactieve vervalproducten van het dodelijke gas te detecteren. Koolmonoxide daarentegen is geen radioactief materiaal, dus de detectoren voor dit gas werken anders. Een van de meest voorkomende mechanismen voor deze chemische sensor is een riff over biologie. Deze detectoren bootsen na hoe koolmonoxide inwerkt op hemoglobine in het bloed om de aanwezigheid van het gas te bepalen. Een andere veel voorkomende detector in huis is een rookmelder. Terwijl sommigen radioactief materiaal gebruiken om te helpen rook uit te ruiken, komt het grootste deel van de waarneming in rookdetectoren van het fysieke, niet chemische, fenomeen van de rookdeeltjes dat interferentie veroorzaakt die wordt waargenomen door de detector.

Chemische detectie-inrichtingen hebben ook een wijdverbreid gebruik buitenshuis. Een van de belangrijkste plaatsen waar u deze apparaten in actie zult zien is op zoek naar biomoleculen in medische settings.Biomolecule-sensoren zijn in essentie gespecialiseerde chemische sensoren. Hoewel ze stoffen zoals hormonen detecteren, zijn deze lichaamseigen stoffen allemaal moleculen. Immers, deze sensoren zijn gemaakt met veel van dezelfde leidende principes als andere chemische sensoren - selectiviteit, gevoeligheid en draagbaarheid.

Sommige van de meest draagbare biomolecuul-sensoren waarvan u zich bewust bent, worden geassocieerd met vruchtbaarheidsmetingen: zwangerschapstests en ovulatietesten. Beide chemische sensoren detecteren de aanwezigheid van bepaalde hormonen in de urine. In het geval van zwangerschapstests, zoekt de sensor naar het hormoon humaan choriongonadotrofine (hCG) in de urine. De stick waarop de vrouw urineert heeft antilichamen die zijn gecoat met een chemische stof die zich hecht aan hCG. Als het biomolecuul aanwezig is, leest de test positief [bron: Oudersmagazine]. Meestal hebben deze chemische sensoren een colorimetrische component, zodat wanneer de analyt - in dit geval hCG - bindt, dit een kleurverandering in de sensor veroorzaakt, waardoor de uitlezing van de resultaten behoorlijk waterdicht is.

In de klinische setting zijn twee van de meest gebruikelijke methoden voor chemische biomolecuuldetectie ELISA (enzyme-linked immunoabsorbent assay) en de Western-blot. Afhankelijk van de grootte en het type van het biomolecuul in kwestie en de informatie die zij over het molecuul wensen, zullen wetenschappers en clinici zich vaak richten op een van deze chemische sensingtechnieken om verschillende analyten in mengsels van biomoleculen te identificeren [bronnen: ThermoFisher Scientific, Mahmood en Yang ].

Sci-fi detectie een realiteit worden

Sci-fi detectie een realiteit worden

Een glazen kop bevat een neurale interface sensor ontwikkeld door DARPA, die signalen uit de hersenen leest en neuronen stimuleert om geheugenverlies te bestrijden. DARPA investeert in onderzoek naar chemische detectie. Stacey Rupolo / Chicago Tribune / TNS via Getty Images

Een grote driver voor de toekomstige richtingen van chemische waarneming is het leger. Financierende instanties zoals het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hebben grote dromen over wat chemische waarneming zou kunnen doen voor hun strijdkrachten. Stel je voor dat je een sensor bovenop een tent in een oorlogsgebied kunt plaatsen die explosieven of giftige gassen op 6 kilometer afstand kan detecteren.

Of beeld een sensor af die zo klein is dat hij in stoffen kan worden ingebed. Wanneer de sensor een giftige stof detecteert, verandert de kleur van de stof, waardoor soldaten worden gewaarschuwd voor de aanwezigheid van chemische gifstoffen in de lucht. Hoe zit het met een sensor die soldaten zou kunnen waarschuwen voor hun uitdrogingsniveau? De implicaties voor een dergelijke technologie zouden niet alleen de overhand hebben in de strijd, maar ook mogelijk duizenden levens redden.

Chemische producten kunnen ook op luchthavens worden geplaatst om het terrorisme te helpen stoppen door kleine concentraties explosieven te detecteren zonder dat we het uitgebreide gedoe van de beveiligingslijnen hoeven te ondergaan. Wetenschappers hebben zelfs al een sensor onthuld die snel drugs en explosieven kan detecteren op een afstand van bijna dertig meter (30 meter) met luchthavens in het achterhoofd [bron: Engineering360]. Deze sensoren kunnen worden geïnstalleerd bij de ingangen van de luchthaven en op andere plaatsen met grote groepen mensen. Sommige soorten chemische detectieapparaten kunnen zelfs aan mobiele telefoons worden bevestigd om grotere gebieden te scannen terwijl rechtshandhavingsambtenaren zich verplaatsen [bron: Hsu].

Uiteraard hoeven chemische sensoren niet alleen te worden gebruikt om schadelijke activiteiten af ​​te leiden. Het detecteren van metalenverontreinigingen in water en mogelijk giftige chemicaliën in de lucht via sensoren in beveiligingsbadges zijn slechts enkele van de manieren waarop chemische detectie-apparaten onze wereld veranderen.

Notitie van de auteur: Hoe Chemical Sensing Devices werken

Nanopartikelsensoren die in een stof zijn genaaid die me meer over mezelf of de lucht om me heen zou kunnen vertellen? Dit is serieus het spul van sci-fi. Maar het is het niet. Misschien is het leger degene die het onderzoek naar dit soort dingen voortzet, maar al snel nadat soldaten het gaan gebruiken, zal het voor de rest van ons alledaags zijn. Geeft wearable technologie een geheel nieuwe betekenis.


Video Supplement: Top 10 Arduino-Sensors with Projects for Beginners.




Onderzoek


Zijn Duiven Net Zo Slim Als Apen?
Zijn Duiven Net Zo Slim Als Apen?

Slinky Robot Rolls Like Legendary Hoop Snake
Slinky Robot Rolls Like Legendary Hoop Snake

Science Nieuws


De Ziekte Van Parkinson Begint In Het Darmstelsel Voordat Hij De Hersenen Beïnvloedt
De Ziekte Van Parkinson Begint In Het Darmstelsel Voordat Hij De Hersenen Beïnvloedt

Arctic Circle Burns As Record Heat Broils Noord-Europa
Arctic Circle Burns As Record Heat Broils Noord-Europa

Dickens-Diagnose: De Symptomen Van Tiny Tim Zijn Gedecodeerd
Dickens-Diagnose: De Symptomen Van Tiny Tim Zijn Gedecodeerd

Darwins Vinken Evolueren Voor De Ogen Van Wetenschappers
Darwins Vinken Evolueren Voor De Ogen Van Wetenschappers

Shaman'S Herbal Hallucinogen Is Een Fataal Lokmiddel Voor New Age-Toeristen
Shaman'S Herbal Hallucinogen Is Een Fataal Lokmiddel Voor New Age-Toeristen

WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com