เซนเซอร์เคมี: โครงสร้าง วงจร การทำงาน ประเภท เทียบกับไบโอเซนเซอร์ และการประยุกต์ใช้งาน

สารเคมีในอุดมคติ เซ็นเซอร์ เป็นอุปกรณ์พกพา ราคาไม่แพง และป้องกันการผิดพลาดได้ ซึ่งทำปฏิกิริยากับสารวิเคราะห์ในอุดมคติและทันทีต่อสารวิเคราะห์เฉพาะในตัวกลางที่ต้องการ เพื่อสร้างสัญญาณเอาท์พุตที่วัดได้ที่ความเข้มข้นของสารวิเคราะห์ที่ต้องการ โดยทั่วไป เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ (หรือ) เครื่องมือที่กำหนดความเข้มข้น การมีอยู่ (หรือ) ปริมาณการวิเคราะห์ที่ตรวจจับได้ ความซับซ้อนในการใช้งานของเซ็นเซอร์เคมีเชื่อมโยงกับความซับซ้อนทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดเหล่านี้และลักษณะเฉพาะของสารเคมีที่จะวิเคราะห์ ลักษณะการเลือกสรรและความไวของการตรวจจับสารเคมีอาจได้รับผลกระทบจากลักษณะด้านมิติ เฟส และเวลาของการกำหนดที่ต้องการ สารวิเคราะห์สามารถใช้ได้ในเฟสของเหลวหรือของแข็งบนสเกลขนาดต่างๆ ซึ่งมีตั้งแต่ลิตรจำนวนมากไปจนถึงพิโคลิตร บทความนี้ให้ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับก เซ็นเซอร์เคมี การทำงานและการประยุกต์ของมัน

เซ็นเซอร์เคมีคืออะไร?

เซ็นเซอร์ที่ใช้ในการวัดและตรวจจับปริมาณสารเคมีภายในเครื่องวิเคราะห์ (องค์ประกอบ การมีอยู่ขององค์ประกอบ (หรือ) ไอออน กิจกรรมทางเคมี ความเข้มข้น) เพื่อแปลงเป็นข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์เรียกว่าเซ็นเซอร์เคมี เซ็นเซอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่นำไปใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงระบบการตรวจจับภายในบ้าน การแพทย์ นาโนเทคโนโลยี และยานยนต์

โครงสร้างเซ็นเซอร์เคมี

โครงสร้างเซ็นเซอร์เคมีแสดงไว้ด้านล่าง เซ็นเซอร์นี้ประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญสองส่วน ตัวรับหรือวัสดุตรวจจับและตัวแปลงสัญญาณ วัสดุการตรวจจับโต้ตอบกับเครื่องวิเคราะห์เป้าหมายในรูปแบบต่างๆ ขึ้นอยู่กับประเภทของเซ็นเซอร์ ผลลัพธ์ของอันตรกิริยานี้คือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุ เช่น การนำไฟฟ้าและมวล

ส่วนประกอบถัดไปของเซ็นเซอร์นี้คือ ตัวแปลงสัญญาณ ซึ่งมีหน้าที่นำข้อมูลทางเคมีของการโต้ตอบระหว่างตัวรับและตัววิเคราะห์มาเปลี่ยนเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ หลังจากนั้นข้อมูลนี้จะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์ (หรือ) ส่วนประกอบทางกล

เซ็นเซอร์เคมีทำงานบนหลักการของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเพื่อแปลงองค์ประกอบและความเข้มข้นของสารประกอบเคมีอินทรีย์และอนินทรีย์ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า

วงจรเซ็นเซอร์เคมีและการทำงาน

วงจรนี้จะอธิบายวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ เซ็นเซอร์นี้มีอิเล็กโทรดสามอิเล็กโทรดซึ่งจุ่มอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ของเหลว อิเล็กโทรดทั้งสามนี้ส่วนใหญ่เป็นอิเล็กโทรดทำงาน อิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ และอิเล็กโทรดอ้างอิง แต่อิเล็กโทรดที่สำคัญที่สุดคืออิเล็กโทรดทำงาน อิเล็กโทรดนี้ทำจากแพลตตินัมซึ่งเป็นโลหะเร่งปฏิกิริยาไปจนถึงคาร์บอนมอนอกไซด์ โดยมีเมมเบรนที่ซึมผ่านก๊าซได้แม้ว่าจะไม่ชอบน้ำก็ตาม ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์แพร่กระจายผ่านเมมเบรนที่มีรูพรุนและถูกออกซิไดซ์ทางเคมีไฟฟ้า

อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการไหลของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าจากอิเล็กโทรดจะสร้างสัญญาณเอาท์พุตของเซ็นเซอร์ อิเล็กโทรดอ้างอิงให้ศักย์ไฟฟ้าเคมีที่เสถียรภายในอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดนี้ได้รับการปกป้องไม่ให้สัมผัสกับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ดังนั้นศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ของมันจะใกล้เคียงกันเสมอและยังคงเสถียร นอกจากนี้ ไม่อนุญาตให้กระแสไหลผ่านอิเล็กโทรดอ้างอิง มีอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์เพื่อทำให้วงจรเซลล์ไฟฟ้าเคมีสมบูรณ์

อิเล็กโทรดนี้ทำงานเป็นครึ่งเซลล์ที่สองเท่านั้น และปล่อยให้อิเล็กตรอนเข้าหรือออกจากอิเล็กโทรไลต์ วงจรด้านล่างจะควบคุมศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่ใช้งาน และเปลี่ยนกระแสสัญญาณเป็นแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่าโพเทนชิโอสแตต กระแสจาก WE (อิเล็กโทรดทำงาน) เปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้าผ่าน U2 op-amp ดังนั้นวงจรนี้จะรักษาแรงดันอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่ที่ศักย์ไบแอส (Vbias) เปรียบเทียบศักย์ไฟฟ้า RE (อิเล็กโทรดอ้างอิง) กับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคงที่ (Vbias) ออปแอมป์ U1 ในวงจรสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ CE (อิเล็กโทรดตัวนับ) ซึ่งเพียงพอที่จะสร้างกระแสที่เทียบเท่าอย่างแม่นยำและย้อนกลับไปยังกระแสอิเล็กโทรดที่ทำงาน ในขณะเดียวกันก็สามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ระหว่างอิเล็กโทรดทำงานและอิเล็กโทรดอ้างอิงได้

นอกจากนี้ เซ็นเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ยังได้รับการติดตั้งผ่านตัวกรองแบบคัดเลือกทางเคมี ซึ่งกำจัดก๊าซที่อาจรบกวนก่อนที่จะไปถึงอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้ หากตัวกรองแบบเลือกสารเคมีทำงานอย่างถูกต้อง เซ็นเซอร์เคมีจะตอบสนองต่อก๊าซที่รบกวนน้อยลง เทคโนโลยีที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อให้เซ็นเซอร์ทำปฏิกิริยากับก๊าซต่างๆ ดังนั้นสิ่งนี้สามารถทำได้โดยใช้อิเล็กโทรดการทำงานที่แตกต่างกัน ศักยภาพอคติของตัวกรองแบบคัดเลือกทางเคมี

ประเภทเซ็นเซอร์เคมี

เซนเซอร์เคมีมีหลายประเภทซึ่งจะอธิบายไว้ด้านล่าง

เครื่องช่วยหายใจ

เครื่องตรวจวัดลมหายใจเป็นเซ็นเซอร์เคมีที่ใช้ในการประมาณค่า BAC (ปริมาณแอลกอฮอล์ในเลือด) จากตัวอย่างลมหายใจ เมื่อใดก็ตามที่คนดื่มแอลกอฮอล์ พวกเขาจะหายใจออกโมเลกุลแอลกอฮอล์จำนวนหนึ่งซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณที่พวกเขาดื่ม ดังนั้นเซ็นเซอร์นี้จึงได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อวัด BAC ของบุคคลบ่อยครั้งเพื่อตัดสินใจว่าพวกเขากำลังขับขี่ยานพาหนะอย่างปลอดภัยหรือไม่ เมื่อโมเลกุลของแอลกอฮอล์มีปฏิกิริยาผ่านตัวรับ ก็จะพบกับสารเคมีอีกชนิดหนึ่งที่อยู่ในตัวรับ เช่น กรดซัลฟิวริก ซิลเวอร์ไนเตรต น้ำ และโพแทสเซียมไดโครเมต เมื่อทราบถึงความแตกต่างทางเคมีระหว่างห้องทั้งสองห้อง สามารถสร้างและระบุสัญญาณไฟฟ้าผ่านเข็มหรือตะแกรงได้

เซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์

เซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์มีอีกชื่อหนึ่งว่า เซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งใช้สำหรับตรวจวัดก๊าซ CO2 หลักการทั่วไปสำหรับเซ็นเซอร์นี้คือเซ็นเซอร์ก๊าซอินฟราเรดและเซ็นเซอร์ก๊าซเคมี ดังนั้น การตรวจวัดก๊าซ CO2 จึงมีความสำคัญในการสังเกตคุณภาพอากาศภายในอาคาร การทำงานของปอดในรูปแบบอุปกรณ์แคปโนกราฟ และพื้นที่อุตสาหกรรมต่างๆ

เครื่องตรวจจับคาร์บอนมอนอกไซด์

เครื่องตรวจจับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับการมีอยู่ของก๊าซ CO เพื่อหลีกเลี่ยงพิษจากก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และรสจืด ซึ่งเกิดจากการจุดระเบิดบางส่วนของวัสดุที่มีคาร์บอน ก๊าซนี้ในปริมาณที่สูงอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์อย่างมาก โดยพิจารณาจากปริมาณที่มีอยู่และระยะเวลาที่สัมผัส เครื่องตรวจจับเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดระดับ CO ในที่สุด และแจ้งเตือนก่อนที่ระดับ CO2 ที่เป็นอันตรายจะก่อตัวขึ้นในสภาพแวดล้อม โดยให้คำเตือนอย่างเพียงพอแก่ผู้คนเพื่อทำให้พื้นที่สดชื่นหรือออกจากพื้นที่อย่างปลอดภัย

จมูกอิเล็กทรอนิกส์

หนึ่ง จมูกอิเล็กทรอนิกส์ หรือ e-nose เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับรสชาติหรือกลิ่น สิ่งนี้สามารถสร้างประสาทสัมผัสของมนุษย์ด้วยอาร์เรย์เซ็นเซอร์และระบบจดจำรูปแบบ ดังนั้นขั้นตอนกระบวนการรับรู้จึงเกี่ยวข้องกับการดมกลิ่นของมนุษย์ และดำเนินการเพื่อ การเปรียบเทียบ การระบุตัวตน การหาปริมาณ และการใช้งานอื่นๆ เช่น การจัดเก็บและการเรียกค้นข้อมูล ขั้นตอนของกระบวนการรับรู้นั้นคล้ายคลึงกับการดมกลิ่นของมนุษย์ และดำเนินการเพื่อการระบุ การเปรียบเทียบ การหาปริมาณ และการใช้งานอื่น ๆ รวมถึงการจัดเก็บและเรียกค้นข้อมูล

เซ็นเซอร์นาโนร็อดซิงค์ออกไซด์

เซ็นเซอร์นาโนร็อดซิงค์ออกไซด์ (เซ็นเซอร์ ZnO นาโนรอด) เป็นอุปกรณ์ออปติกหรืออิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการตรวจจับการมีอยู่ของโมเลกุลของเหลวหรือก๊าซบางชนิดภายในบรรยากาศโดยรอบ เซ็นเซอร์เคมีนี้ใช้พื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นสำหรับวัสดุขนาดนาโนทั้งหมด เช่น แท่งนาโน ZnO การดูดซับของโมเลกุลบนแท่งนาโนสามารถตรวจพบได้จากความแตกต่างของคุณสมบัติของแท่งนาโน เช่น แสงเรืองแสง ความถี่การสั่นสะเทือน การนำไฟฟ้า มวล ฯลฯ วิธีที่ง่ายที่สุดและเป็นที่นิยมมากที่สุดคือการส่งกระแสไฟฟ้าไปทั่วแท่งนาโน และติดตามการเปลี่ยนแปลงเมื่อสัมผัสกับแท่งนาโน แก๊ส.

เซนเซอร์โพเทนชิโอเมตริก

เซ็นเซอร์โพเทนชิโอเมตริกเป็นเซ็นเซอร์เคมีชนิดหนึ่งที่ใช้ค้นหาความเข้มข้นเชิงวิเคราะห์ของส่วนประกอบบางอย่างในก๊าซ (หรือ) สารละลายที่วิเคราะห์ เซ็นเซอร์นี้จะวัดศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า เซ็นเซอร์นี้มีประโยชน์มากมาย เช่น ความเรียบง่ายและความคุ้มทุน เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือวิเคราะห์ทั่วไป ดังนั้นเซ็นเซอร์เหล่านี้จึงสามารถนำไปใช้ในด้านต่าง ๆ เช่น อาหาร การดูแลสุขภาพ เกษตรกรรม การตรวจสอบคุณภาพอาหาร การตรวจสอบคุณภาพน้ำ การตรวจสอบสุขภาพ การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม ฯลฯ

เซ็นเซอร์ไฮโดรเจน

เซ็นเซอร์ไฮโดรเจนเป็นเซ็นเซอร์ประเภทหนึ่ง ใช้ในการตรวจจับการมีอยู่ของก๊าซไฮโดรเจนในด้านต่างๆ เซ็นเซอร์เหล่านี้มีต้นทุนต่ำ ทนทาน กะทัดรัด และบำรุงรักษาง่ายมากเมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์ก๊าซอื่นๆ ไฮโดรเจนไม่มีสี ไม่มีรส และไม่มีกลิ่น ต้องใช้เซ็นเซอร์นี้เพื่อตรวจจับปริมาณไฮโดรเจนในสิ่งแวดล้อมและติดตามการรั่วไหลของก๊าซ เซ็นเซอร์นี้ใช้ในเครื่องตรวจจับก๊าซไฮโดรเจนเพื่อตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซ

เซ็นเซอร์ฟลูออเรสเซนต์คลอไรด์

เซ็นเซอร์ฟลูออเรสเซนต์คลอไรด์เป็นเซ็นเซอร์ทางเคมีประเภทหนึ่งที่ใช้ในการวิเคราะห์ทางเคมี เพื่อตรวจวัดการขนส่งคลอไรด์ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อปรับปริมาตรของเซลล์ ความสมดุลของประจุ ความตื่นเต้นง่ายของเมมเบรน และศักยภาพในการพักตัว สิ่งเหล่านี้ยังใช้สำหรับการวินิจฉัยโรคซิสติกไฟโบรซิสเป็นหลัก การค้นพบการมีส่วนร่วมของคลอไรด์ (Cl−) ภายในกระบวนการทางสรีรวิทยากระตุ้นการวัด Cl− ภายในเซลล์ภายในเซลล์ที่มีชีวิต และการพัฒนาเครื่องมือเรืองแสง

ความแตกต่างเซ็นเซอร์เคมีขาวดำและไบโอเซนเซอร์

ความแตกต่างระหว่างเซ็นเซอร์เคมีและไบโอเซนเซอร์มีดังต่อไปนี้

ข้อดีข้อเสีย

ข้อดีของเซนเซอร์เคมีมีดังต่อไปนี้

• เซ็นเซอร์เคมีให้การตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อก๊าซและไอระเหยต่างๆ
• เหล่านี้มีราคาไม่แพง
• เซ็นเซอร์เคมีใช้งานง่ายและพกพาสะดวก
• เหล่านี้ไม่แพง

ข้อเสียของเซนเซอร์เคมีมีดังต่อไปนี้

• เซ็นเซอร์เหล่านี้แคบ (หรือ) ช่วงอุณหภูมิมีจำกัด
• เซ็นเซอร์นี้ไม่สามารถตอบสนองความจำเป็นในการตรวจสอบระบบนิเวศทั้งหมด
• มีอายุการเก็บรักษาที่จำกัด

การใช้งานเซ็นเซอร์เคมี

ที่ การใช้งานเซ็นเซอร์เคมี รวมสิ่งต่อไปนี้

• เซ็นเซอร์เคมีมีการใช้งานที่สำคัญในการตรวจจับทางการแพทย์ การตรวจสอบสภาพแวดล้อมในอุตสาหกรรมอาหาร วิศวกรรมชีวภาพ ความปลอดภัยด้านการป้องกัน และอุตสาหกรรมเหมืองแร่
• การใช้งานเซ็นเซอร์เคมีส่วนใหญ่ประกอบด้วยความปลอดภัย การดูแลที่สำคัญ สุขอนามัยทางอุตสาหกรรม การควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์ การควบคุมกระบวนการ ฯลฯ
• เซ็นเซอร์นี้ช่วยวัดและตรวจจับคุณสมบัติทางเคมีภายในสารวิเคราะห์
• สิ่งเหล่านี้ใช้ในการแพทย์ ความปลอดภัยภายในบ้าน มลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ฯลฯ
• การตรวจจับสารเคมีถูกนำมาใช้ในหลากหลายสาขาวิชา เช่น การวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้า การวัดทางชีวการแพทย์ การติดตามมลพิษ และการควบคุมทางอุตสาหกรรม
• เซ็นเซอร์เหล่านี้มีการใช้งานที่หลากหลายในการตรวจสอบการตรวจจับมลพิษและสิ่งปนเปื้อน

โปรดดูสิ่งนี้สำหรับเซ็นเซอร์เคมีเพิ่มเติมและการเชื่อมต่อ

• MQ4 เซ็นเซอร์ก๊าซมีเทน
• เซ็นเซอร์ก๊าซไฮโดรเจน MQ8

นี่จึงเป็นภาพรวมของสารเคมี เซ็นเซอร์ โครงสร้าง การทำงาน g วงจร ประเภท ความแตกต่าง ข้อดี ข้อเสีย และการประยุกต์ เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้แปลงสัญญาณเคมีเป็นสัญญาณวิเคราะห์ ในที่นี้ สัญญาณเคมีสามารถเกิดขึ้นได้จากการเลือกอันตรกิริยาระหว่างวัสดุตรวจจับที่อยู่ในเซนเซอร์และตัววิเคราะห์เป้าหมาย ตัวอย่างของเซนเซอร์เคมี ได้แก่ เครื่องตรวจจับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ เครื่องตรวจจับกลูโคส ยุง ชุดทดสอบการตั้งครรภ์ ฯลฯ มีคำถามสำหรับคุณว่า ไบโอเซนเซอร์ คืออะไร?