سنسور شیمیایی چه عملکردی دارد؟

سنسور شیمیایی چیست؟

سنسورشیمیایی غلظت ذرات  (اتم ها، مولکول ها یا یون ها. را در گازها یا مایعات) را با استفاده از علامت الکتریکی ثبت می کند.

به طور کلی سنسورهای شیمیایی برای محیط های آبی ، داده های غلظت را برای گونه های شیمیایی خاص در داخل دریاچه تولید می کنند. به طور معمول ، سنسورهای جداگانه برای اندازه گیری پارامترهای مختلف شیمیایی استفاده می شود. با این حال ، این سنسورها اغلب به سیستم عامل های حسگر چند منظوره مانند sondes ترکیب می شوند.

فناوری سنسور اغلب از مواد و مدارهایی استفاده می کند که فقط به گونه های خاص شیمیایی پاسخ می دهند. بنابراین ، در حالی که تعداد زیادی سنسور شیمیایی برای مطالعه اکوسیستم های آبزی وجود دارد ، این سنسورها می توانند از نظر فناوری هایی که در آن گنجانده شده اند ، تفاوت زیادی با یکدیگر داشته باشند. یکی از متداول ترین انواع فناوری برای حسگرهای شیمیایی ، الکترودهای انتخابی یونی (ISE) هستند.

سنسورهای  شیمیایی به چهار دسته تقسیم می شوند:

۱٫ حسگرهای الکتریکی

۲٫ حسگرهای نوری

۳٫ حسگرهای گرمایی

۴٫ حسگرهای جرمی

سنسورهای شیمیایی چه اندازه گیری هایی می کنند؟

• PH
• شوری / هدایت
• اکسیژن محلول / دی اکسید کربن
• مواد مغذی

حسگرهای pH
pH اندازه گیری میزان اسیدیته یک توده آب یا محلول دیگر است. از نظر ریاضی ، pH به عنوان لگاریتم منفی غلظت یون های هیدروژن اسیدی تعریف می شود (همچنین به عنوان پروتون ، H + مشخص می شود ). از طریق این محاسبه ریاضی ، مقیاس pH بدست می آید ، با PH 1 بسیار اسیدی ، ۷ خنثی و ۱۴ مقدماتی ترین سطح در مقیاس است. در برخی موارد شدید ، مقادیر pH خارج از این مقیاس می تواند رخ دهد  . توجه به این نکته مهم است که PH مقیاس ورود به سیستم است ، به این معنی که تغییر pH، یک  عدد (مثلاً از ۶ به ۵) به معنی اسیدی بودن نمونه، ۱۰ برابر است.

روشهای زیادی برای اندازه گیری pH وجود دارد ، از مقالات نشانگر و محلولها گرفته تا کاوشگرهای الکترونیکی پیچیده. هنگام کار در مزرعه ، مدیران دریاچه و دانشمندان از پروب های الکترونیکی روی سکوهای حسگر برای اندازه گیری pH آب استفاده می کنند. این پروب ها مقادیر pH را به طور غیرمستقیم اندازه گیری می کنند ، زیرا “شمارش” تعداد یونها در یک نمونه داده شده از آب امکان پذیر نیست.

pH و سایر حسگرهای یونی از فناوری به نام الکترودهای انتخابی یونی (ISE) استفاده می کنند. pH از طریق رسانایی آب اطراف پروب اندازه گیری می شود. این سنسور یک لامپ شیشه ای کوچک را در خود جای داده است که حاوی الکترود است و جریان الکتریکی کمی را از طریق آب ارسال می کند. سپس ولتاژ اندازه گیری می شود و از این مقدار برای تعیین pH بر اساس کالیبراسیون پروب استفاده می شود.

بیشتر بخوانید : جی پی اس چیست؟ چه کاربردی دارد؟

حسگرهای pH به سرعت رانده می شوند زیرا الکترود شیشه ای با گذشت زمان سیگنال قابل تکرار طولانی مدت تولید نمی کند. بنابراین ، سنسورهای pH نیاز به کالیبراسیون مکرر دارند. برای اندازه گیری های آزمایشگاهی با دقت بالا ، این بدان معنی است که اغلب هر روز یا هر ساعت انجام می شود. برای برنامه های کاربردی ، اغلب توصیه می شود حداقل یک بار در ماه کالیبره کنید.

به دلایل مختلف pH آب یک مسئله مهم زیست محیطی است. ارگانیسم هایی که در یک محیط آبزی زندگی می کنند برای انجام عملکردهای طبیعی خود به یک محدوده pH خاص و پایدار بستگی دارند. انحراف pH از این محدوده می تواند باعث ایجاد تنش زیادی در اکوسیستم دریاچه شود و با کاهش بقا ، رشد و تولید مثل برای ارگانیسم ها مضر باشد.

pH دریاچه همچنین ابزاری برای مطالعه انواع آلودگی های محیطی از جمله بارش اسیدی ، رواناب اسیدی و شستشوی خاک کودهای شیمیایی فراهم می کند.

حسگرهای شوری / رسانایی
شوری به غلظت نمکهای محلول در یک نمونه داده شده ی آب، گفته  می شود. اصطلاح نمک در این حالت به هر ماده ای گفته می شود که از پیوند یونی بین کاتیون فلزی و آنیون غیر فلزی تشکیل شده باشد. این می تواند شامل نمک خوراکی معمولی (کلرید سدیم) باشد ، اما همچنین شامل نمک های دیگر مانند کلرید پتاسیم و بی کربنات سدیم  است . شوری به طور کلی به صورت غلظت نمک گزارش می شود.

شوری به روشی مشابه PH اندازه گیری می شود. محلولهای نمکی حاوی یونهای بیشتری هستند – ذرات باردار – نسبت به محلولهای کم نمک. بنابراین ، آب شور برق را بهتر از آب شیرین هدایت می کند. سنسورهای شوری حاوی الکترودی هستند که رسانایی آب را اندازه گیری می کند و این مقدار رسانایی در مقایسه با شوری با یک سری از استانداردها مطابقت دارد. با استفاده از این روش ها می توان پیکره های آب را به عنوان آب شیرین یا آب شور شناسایی کرد. مقادیر شوری را می توان برای بررسی چگونگی تأثیر آن بر سایر پارامترها و چگونگی تأثیر آنها به نوبه خود ، کنترل کرد.

شوری پارامتر مهمی برای کیفیت آب است. این یک عامل تعیین کننده عمده در مناسب بودن منبع آب برای مصرف انسان و همچنین تعیین نوع موجودات زنده در یک محیط آبزی است. بسیاری از ارگانیسم ها به توازن خاص نمک در داخل و خارج سلول نیاز دارند. اگر این تعادل اسمزی قطع شود ، در تلاش برای برقراری مجدد این تعادل ، آب از منبع غلیظ کمتر به منبع غلیظ تر می رود. در موارد شدید ، اگر غلظت نمک درون سلول بسیار بیشتر از خارج باشد ، این باعث پر شدن سلول و ترکیدن آن می شود  ، یا اگر غلظت نمک در خارج خیلی بیشتر شود ، باعث کوچک شدن و مرگ سلول می شود.

سلول، به همان اندازه از آب را به سلول های در تلاش ترک برای رقیق کردن نمک در خارج استفاده میشود. با این حال ، همه موجودات به تعادل یکسانی احتیاج ندارند ، زیرا برخی از آنها برای زندگی در آب شیرین تکامل یافته اند و موجودات دیگر برای زندگی در اکوسیستم های دریایی سازگار شده اند. برخی ارگانیسم ها ، مانند باکتری های افراطی ، حتی برای زنده ماندن در آب بسیار شور که اکثر موجودات دیگر نمی توانند زنده بمانند ، سازگار شده اند. شوری بسته به عوامل زیادی مانند بارندگی ، تخلیه رودخانه و رواناب از منابع شور می تواند متفاوت باشد .

سنسورهای اکسیژن محلول / CO 2 محلول
مانند جامدات ، گازها نیز می توانند در آب دریاچه حل شوند. اما برخلاف مواد جامد محلول ، غلظت گازها در آب به دلیل عواملی مانند دما ، مصرف و تولید و تبادلات اتمسفر گازها می تواند به سرعت در طول زمان تغییر کند. به همین دلیل ، اکسیژن محلول و دی اکسید کربن محلول اغلب به طور مداوم و در فواصل کوتاه اندازه گیری می شوند . تغییرات اکسیژن محلول و دی اکسید کربن محلول مربوط به فرآیندهای فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکی است که در زیر آب اتفاق می افتد.

این گازها هر دو ورودی و خروجی عمده در متابولیسم موجودات آبزی و زمینی هستند. گازهای محلول معمولاً اندازه گیری می شوند و به عنوان یک درصد اشباع گزارش می شوند ، با اشباع بالاتر مربوط به مقدار بیشتری گاز محلول در یک حجم خاص از آب در دمای خاص است. غالباً ، گازها در دماهای بالاتر محلول کمتر می شوند.

سنسورهای اکسیژن و دی اکسید کربن محلول در انواع مختلفی موجود است. به طور سنتی ، سنسورهای اکسیژن محلول حسگرهای الکترود هستند که حاوی غشایی هستند که اکسیژن از آن عبور می کند و سپس کاهش می یابد و جریان الکتریکی ایجاد می شود که می تواند اندازه گیری شود و از طریق کالیبراسیون  به اندازه گیری اکسیژن تبدیل شود . این سنسورها محدودیت هایی دارند زیرا هنگام اندازه گیری اکسیژن مصرف می کنند،به این معنی که اگر در یک مکان بماند ، خوانش اکسیژن محلول با گذشت زمان کاهش می یابد. علاوه بر این ، آنها مستعد رانش سنسور هستند ، به این معنی که باید مرتبا کالیبره شوند. با این حال ، اخیراً حسگرهای اکسیژن مبتنی بر نوری ساخته شده اند. سنسورهای نوری از غشایی تشکیل شده اند که هنگام قرار گرفتن در معرض نور ، فلورسنت هستند. این غشا با اکسیژن واکنش می دهد و باعث کاهش فلورسانس می شود . سپس این فلورسانس شناسایی شده و سیگنال به غلظت گاز محلول تبدیل می شود. سنسورهای دی اکسید کربن تقریباً به همان روشی عمل می کنند که سنسورهای اکسیژن کار می کنند و در هر دو مدل هدایت و نوری موجود است.
اکسیژن محلول و دی اکسید کربن به ویژه اقدامات مهمی در بهره وری یک محیط آبزی هستند. این دو گاز هر دو در متابولیسم هتروتروف و اتوتروف نقش دارند. هتروتروف ها موجوداتی هستند که برای زنده ماندن به منابع خارجی کربن آلی نیاز دارند ، در حالی که اتوتروف ها موجوداتی هستند که می توانند کربن آلی را از منابع غیر آلی سنتز کنند.

فعالیت این ارگانیسم ها می تواند به طور غیر مستقیم در محیط های آبی از طریق اندازه گیری اکسیژن محلول و دی اکسید کربن مشاهده شود ،. بنابراین ، اگر آب دارای مقدار اکسیژن نسبتاً بیشتری نسبت به دی اکسید کربن باشد ، اتوتروفهای موجود در محیط بر تولید خالص غالب می شوند.

حسگرهای مغذی
مواد مغذی مواد شیمیایی هستند که مصرف آنها برای حفظ حیات موجودات خاص ضروری است. عناصر مغذی به دو دسته درشت مغذی ها و ریز مغذی ها طبقه بندی می شوند. عناصر مغذی مغذی مواد مغذی هستند که ارگانیسم ها باید به مقدار زیاد مصرف کنند. این مواد شامل برخی مواد معدنی ، اسیدهای آمینه ، قندها و ویتامین ها است که از عناصر شیمیایی ساده تری مانند کربن ، هیدروژن ، ازت ، فسفر و گوگرد ۸ تشکیل شده است .

ریز مغذی ها شامل مواد مغذی هستند که فقط در مقادیر کمیاب ، به طور کلی ویتامین های غیر ضروری ، اسیدهای آمینه و همچنین فلزات لازم در تشکیل پروتئین های لازم برای متابولیسم مورد نیاز است.

فن آوری های مختلف حسگر برای انواع مختلف مواد مغذی وجود دارد. با این وجود تعداد کمی سنسور مواد مغذی آسان برای استفاده طولانی مدت و در دریاچه وجود دارد.

توسعه روش های خاص برای تشخیص مواد مغذی و کلاسهای مختلف مواد مغذی ، یک زمینه مهم برای مطالعه است و فن آوری های جدید در حال استفاده و آزمایش هستند ، مانند سنسورهای مبتنی بر کریستال مایع (LC) که تغییر در خصوصیات نوری مایع را اندازه گیری می کند.

لایه کریستال در پاسخ به معرفی سایر مواد شیمیایی آلی. این سنسورها شامل یک لایه چسباننده شیمیایی است که مولکولهای هدف را متصل می کند ، و این باعث می شود سنسورها نسبت به آنالیت مورد نظرشان بسیار انتخاب شوند. سپس اتصال این مولکول ها به نوبه خود باعث تغییر جهت LC می شود که ویژگی های نوری آنها را تغییر می دهد.

بیشتر بخوانید : انکودر چیست و چه کاری انجام میدهد؟