پاورپوینت نانوحسگرها و انواع آنها

بسم الله الرحمن الرحیم
پاورپوینت نانوحسگرها و انواع آنها

فهرست مطالب:
مقدمه
1- ساختار کلی یک حسگر
1-1- خصوصیات حسگرها
2- نانوحسگرها
3- انواع نانوحسگرها
3-1- استفاده از نقاط کوانتومی در تولید نانوحسگرها
استفاده از نانولوله ها در تولید نانوحسگرها
کاربرد نانولوله ها در حسگرها
3-3- استفاده از نانوابزارها در تولید نانوحسگرها
منابـــع و مراجــــع

مقدمه      حسگر وسیله ای الکتریکی است که در شرایط مختلف تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل نموده و اطلاعاتی را به صورت کیفی و کمی، در اختیار ما قرار می دهد. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد.
تفاوت حسگرها با آشکارسازها در این است که آشکارسازها فقط به ما اطلاعات کیفی می دهند، ولی حسگرها علاوه بر اطلاعات کیفی، اطلاعات کمی را نیز محاسبه می کنند. برای مثال در صنایع غذایی، حفظ کیفیت و سلامت مواد غذایی از اهمیت ویژه بهداشتی و اقتصادی برخوردار است. برای اولین بار در اواسط قرن نوزدهم مشخص شد، کپک آسپرژیلوس نیجر (Aspergillus.Niger)عامل اصلی فساد مواد غذایی است. بنابراین، محققان به دنبال روش های قابل دسترس برای ارزیابی درجه و میزان رشد قارچ ها از جمله کپک آسپرژیلوس نیجر در مراحل اولیه و پیشرفته در محصولات غذایی برآمدند. آنها استفاده از حسگرها را به عنوان راهی مناسب برای این منظور یافتند

نتظار می رود تا اواخر قرن حاضر اکثر صنعت ها و عرصه ها از فناوری نانو در ساخت و بهبود کارایی محصولات و تجهیزات خود بهره مند شوند. در مورد حسگرها نیز با استفاده از فناوری نانو بهبود قابل توجهی تا کنون حاصل شده است. به گونه ای که حسگرهای دقیق تر، کوچک تر و با حساسیت بالا تحت عنوان نانوحسگرها به دست آمده است. گستره حرکت این حسگرها در ابعاد نانومتری است. به همین دلیل از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی بهره مند هستند.

شکل1: نمونه ای از یک نانوحسگر

1- ساختار کلی یک حسگر
     در طراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی عنصر حسگر آن است. عنصر حسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنال های شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیم ها، گیرنده ها یا کل سلول ها می توانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند.

1-1- خصوصیات حسگرها:      یک حسگر ایده آل باید خصوصیات زیر را داشته باشد: 1. سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد. 2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند. 3. قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد. 4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد. 5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد ( در حد میلی ثانیه ). 6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و …

2- نانوحسگرها      با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچک تر و دارای قابلیت های بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند، به طوریکه حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس العمل نشان می دهند.

3- انواع نانوحسگرها      نانوحسگرها به گونه های مختلفی دسته بندی می شوند. یکی از این دسته بندی ها بر اساس شکل نانوذرات و کاربرد آنها به شکل زیر است: الف – مواد نانوساختار: مانند سیلیکونِ متخلخل، نانوحسگرهای ساخته شده از این مواد به منظور شناساییِ واکنشهای شیمیایی و زیستی به کار گرفته میشوند. ب – نانوذرات: مانند مواد کرویِ نانومقیاس که به عنوان گیرندههای نوری ـ زیستی، نوری ـ شیمیایی و حسگرهای تصویریِ فضایی کاربرد دارند. مانند ذرات نانوسیلیکون که به عنوان حسگرهای زیستی استفاده می شوند. همچنین می توان نانوحسگرها را براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی کرد.

3-1- استفاده از نقاط کوانتومی در تولید نانوحسگرها      نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی، نور را در رنگ ها و طول موج های مختلف، منتشر می کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد ۳ نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ در حالیکه ذراتی به بزرگی ۵/۵ نانومتر از همان ماده نور قرمز را منتشر می کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موج های خاص نقاط کوانتومی، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کار می روند. در این عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نور می توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنها است. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع و خنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید در دماهای بسیار پایین، نزدیک به ۸۰ درجه کلوین کار کنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، در صورتیکه از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

شکل2: از نقاط کوانتومی می شود در ساخت نانوحسگرها استفاده کرد.

استفاده از نانولوله ها در تولید نانوحسگرها      نانولوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظت های بسیار پایین و با سرعت بالا اشاره کرد.

به طورکلی کاربرد نانولوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:      الف) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی: این حسگرها می توانند در دمای اتاق غلظت های بسیار کوچکی از مولکول های گازی با حساسیت بسیار بالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و می توانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن و آمونیاک را آشکار کنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که در مجاورت ppm ۲۰۰ از دی اکسید نیتروژن قرار داده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط ۲ درصد آمونیاک هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده از نانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده و در دمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی در کاربردهای تشخیصی دارند.

ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی: هنگامیکه یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پایین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی و سیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله های کربنی را نشان می دهد. تحقیق در این زمینه هنوز در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها در ابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.
شکل 3: استفاده از نانولوله ها در ساخت نانوحسگر

3-3- استفاده از نانوابزارها در تولید نانوحسگرها      با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی و غذایی ممکن است. تحقیقات در زمینه ی نانوابزارها جزء پژوهش های علمی به روز دنیا است.

منابـــع و مراجــــع:
کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو
مقالات سایت آموزش ستاد نانو

The end