Kimyəvi sensorlar

Kimyəvi sensorlar -Maddənin tərkibi ilə hər hansı ölçülə bilən xassəsi arasında əlaqə yaratmaq, məlum qanunauyğunluqlardan istifadə edərək qatılıqların təyini və uyğun cihazların yaradılması analitik kimyanın tarixi boyunca vacib məsələlərdən biri olmuşdur və elə bu gün də öz aktuallığını qoruyur. Bu cihazlara sensorlar və ya kimyəvi sensorlar daxildir, hansı ki bu cihazlar maddədən müəyyən miqdar ayırmadan və xüsusi hazırlanmış nümunə götürmədən mühitin (məhlulun) kimyəvi tərkibindən bir başa məlumat verir. Kimyəvi sensorlar – kimyəvi selektiv sensor təbəqəsindən müəyyən etdiyimiz komponentin iştirakına və tərkibinin dəyişməsinə aid cavab siqnalı verir, həmçinin fiziki çeviricidən (transdyuserdən) ibarətdir. Selektiv qatın müəyyən etdiyimiz komponentlə gedən reaksiyasında yaranan enerjini elektrik və ya işıq siqnalına çevirir və daha sonra işığa həssas elektron cihazla ölçülür. Bu siqnal elə analitik siqnaldır ki, mühitin (məhlulun) tərkibi haqqında birbaşa məlumat verir. Kimyəvi sensorlar kimyəvi reaksiyaların prinsipi üzərindən yalnız müəyyən etdiyimiz komponentlə həssas təbəqə arasında gedən kimyəvi əlaqədə analitik siqnal yaranan zaman və ya fiziki proseslərin üzərində fiziki parametr (işığın udulması və əks olunması, kütlə, elektrik keçirici) ölçülən zaman işləyə bilər. Ilk halda həssas təbəqə kimyəvi çevirici funksiyasını yerinə yetirir. Seçiciliyi artırmaq üçün kimyəvi sensorun giriş cihazında (kimyəvi həssas təbəqənin önündə) müəyyən olunan komponentin hissəciklərini selektiv şəkildə ötürən membranlar (ion əvəzedici, dialis, hidrofob və s.) yerləşə bilər. Bu halda müəyyən etdiyimiz maddə yarımkeçirici membrandan kimyəvi çeviricinin nazik təbəqəsinə diffuziya olunur. Hansı ki, bu nazik təbəqədə komponentin üzərində analitik siqnal formalaşır və kimyəvi sensorların əsasında sensor analizatorlar verilmiş qatılıq diapazonunda hər hansı bir maddəni müəyyən etmək üçün nəzərdə tutulmuş cihazlar konstruksiya edilir. Bu analizatorlar kiçik ölçülü (kalkulyator, avtoqələm ölçüsündə və s.) ola bilər, belə ki, onların konstruksiyasında detallar mövcud olmadığından işləmə müddəti ( 1 il və daha çox) uzun olur.

Tarixi

Kimyəvi sensor termini son dövrlərdə meydana gəlmişdir. Bir-biri ilə əlaqəli olan sahələrdəki (bərk cisimlər fizikası, mikroelektronika, mikroprosessorlu texnika, materialşünaslıq) uğurlar analitik kimyada yeni istiqamətin, yəni kimyəvi sensorların yaranmasına gətirdi. Sensor analizatorlar operatorun təsiri olmadan avtonom işləyə bilər, üstəlik nəzərdə tutulur ki, damcılama sistemi və məlumatın avtomatlaşdırılmış işlənməsi ilə əlaqəlidir. Kimyəvi sensorların və onların əsası üzərində qurulmuş analizatorların yaşam mühitinin idarəsində və insan sağlamlığının mühafizəsində rolu əvəzsizdir. Bu cür cihazın ixtirası ideyası 30 ilə yaxındır ki, mövcuddur. Ilk dəfə bu fikri görünüşə görə Klark və Lions 1967-ci ildə söyləyiblər. Klarkın fərziyyəsinə görə yeni ferment elektrodun istifadəsi onun səthi üzərinə immobolizə olunmuş elektrokimyəvi sensordur. Son 10 ildə bu fərziyyə daha geniş tam inkişaf edib. Bir çox sistemlər yaradılıb və tətbiq olunub, bəziləri sənayedə təsdiqlənib və həyata keçirilib.

Biosensorlar

Biosensorlar fərqli orqanizm növlərinə, orqanizmlərin komplekslərəinə, hüceyrənin və ya hüceyrədən ayrılan ferment sistemlərin, həmçinin spesifik bioloji maddələrə və dəqiq kimyəvi birləşmələrə həssas sistemlərdir. (lat. bios- həyat, sensos- hiss deməkdir). Elektrokimyəvi, optik və digər biosensorlar var. adətən iki komponentdən ibarətdir : biokimyəvi sahənin və ya reseptorun dərk edilmə sistemi və fiziki kimyəvi çeviricidən – (transduserdən). Transdyuserlər - elektrokimyəvi elektrodlar, optiki çeviricilərin müxtəlif növləri, qravitasiyalı, kalorimetrik və rezonans sistemlərinin çeviriciləridir. Bioseleksiyaedici elementlərin bütün növlərini müxtəlif transdyuserlərlə birləşdirmək olar. Bu biosensorların çoxlu müxtəlif tiplərini yaradır. Hal-hazırda bütün növ biosensorları nəzərdən keçirmək mümkün deyildir. Daha çox inkişafı ferment və hüceyrə biosensorları alıb.

Tarixi

Biokimya üzrə professor Leyland Klark biosensor anlayışının müəllifidir, həmdə ilk biosensorların ixtiraçısıdır. 1956-cı ildə L. Klark öz işinin təməlini nəşr etdi, icad etdiyi oksigen elektrodunu analitik isitifadəyə həsr etdi. Hansı ki, daha sonralar onu Klark elektrodu adlandırırlar. Klark elektrodu maye və qazlarda, xüsusilə, qanda və toxumalarda oksigenin qatılığını ölçmək üçün nəzərdə tutulub. 1962-ci ildə Klark Nyu York Akademiyasında çıxış edərək öz şəxsi təcrübələrinin nəticələrinin məlumatını verdi, həm də gələcək planlarını və bioloji mayelərin tərkibinin analizinin mümkünlüyünü göstərdi. Klarkın fərziyyəsinə görə fermentlə imobilizə olunmuş biosensorların hazırlamasının mümkün olduğunu bildirmişdir. Son illər bu fərziyyə daha geniş tam inkişaf alıb. Çox sistemlər yaradılıb və tətbiq olunub, bəziləri sənayedə təsdiqlənib və həyata keçirilib. Biosensorlara - bioelektronika nəslinin ilk nümayəndəsi kimi baxılır. Biosensorlar bioloji materialların “tanınması” təyin olunmuş molekul və onun elektrik siqnalındakı iştirakının miqdarının məlumatını verir.

Ümumi xassələri

Biosensorların təsirinin ilk etapında bioelementin ona spesifik olan çox komponentli qarışıqdan ibarət olan maddə ilə tanışlığı, ikinci etapda isə biokimyəvi reaksiyanın gedişi haqqında məlumatın elektrik siqnalına çevrilməsi baş verir, son etapda transduserdən olan elektrik siqnalı əlverişli işlənmə halına çevrilir. Biosensorun elektrik siqnalı bu və ya digər formada hesablanır, məs: rəqəmsal tabloda siqnal gücləndiricisi istifadə olunur. Biosensorlar müxtəlif cür dəyişiklikləri tutmağa imkan yaradır. Bunlar istiliyin ötürülməsi, işıq kütlənin və ya pH-ın dəyişməyi, electron axını və yeni kimyəvi maddələrin alınmasıdır. Biosensorların üstünlükləri və eyni zamanda çatışmayan cəhətləri vardır. Əsas üstünlükləri: 1) Biosensorlar spesifikdir- mürəkkəb qarışıqları öncədən tənzimlə-mədən müəyyən kimyəvi maddənin iştirakına uyğun analiz etmək olar. 2) Onlar çox həssasdırlar, buna görədə çox kiçik nümunələrdə çox kiçik qatılıqda olan maddələri təyin etmək mümkündür. 3) Onlar tez cavab verirlər. 4) Onlar istifadə üçün təhlükəsizdir. 5) Dəqiqdirlər. 6) Çox kiçik ola bilərlər. 7) Kütləvi istehsal üçün əlverişlidirlər. Biosensorların əsas çatışmayan cəhətləri: 1) onlar möhkəm deyillər, ona görədə mükəmməl diqqətə ehtiyac var. 2) onlar stabil deyillər. 3) Onları sterilizasiya etmək olmaz.

Tətbiqi

Biosensorlar texnikada, tibbdə, yeyinti sahələrində və ətraf mühitin qorunmasında istifadə olunur. Biosensorların böyük hissəsi – bioloji maye analizlərinə istiqamətlənib. Lazım olan birləşmələrin qatılığı kəmiyyətcə tez və effektivtəyin edilməlidir. Bunlardan biri qanda şəkərin miqdarının təyin edilməsidir. Idmançılarda qanda dopinqin mövcudluğunu və miqdarının yoxlanılması, qanda narkotikin və alkoqolun kiçik miqdarının təyin edilməsi və .s. bu əsasdandır.

Biomimetik sensorlar

Biomimetika (lat. bios- həyat, mimesis – təqlidetmə) – idea və cihazın əsas elementləri canlı təbiətdən götürülməklə texnoloji cihazların yaradılmasıdır. Biomimetik sensorların hazırlanması üçün Al, Pb metallarından, alüminium falqasından və.s istifadə edilir. Yarımkeçiricilər əsasında yaradılmış biosensorlar digərlərindən bir sıra texnoloji üstünlükləri ilə - təkrar istifadəsi, nisbətən kiçik ölçüləri, yüksək həssaslığı, ucuz və asan əldə olunması ilə fərqlənərək çox geniş tətbiq sahəsinə malikdir. Qeyri-üzvi təbiətli biomimetilklərin köməyi ilə daha geniş funksional qabliyyətlərə malik olan ferment biosensorların biomimetik analoqlarını yüksək həssaslı analitik sistemlərin yaradılışı olan bu yeni sahədə aktual istiqamətlərdən biridir. Imitasiyon katalizin nailiyyətləri sayəsində - katalaz, peroksidaz tipli biomimetik effektiv konstruksiyasını həyata keçirmək olur.

Mimetiklər

Mimetiklər –(mimetiks- yunanca mimetes-təqlidçi) orqanizmdə təbii sintez olunan maddələrə (mediatorlar, hormonlar) bənzər və digər substansiyaları imitasiya edən dərman preparatlarıdır. Mimetiklər öz fiziki-kimyəvi təbiətlərinə görə təbii siqnal molekullara çox bənzəyirlər, ona görədə hüceyrə reseptorlarında onlar yad cisim kimi görünmürlər və mimetiklərə qarşı təqlid etdikləri kimi reaksiya verirlər.

Elektrokimyəvi sensorlar

Elektrokimyəvi sensorlar, elektrokimyəvi prosesin gedişi ilə analitik siqnalı təmin edən cihazlardır. Sulu və qazlı mühitlərdə kimyəvi birləşmələrin keyfiyyəti və miqdarının analiz olunması üçün nəzardə tutulublar. Sadə analitik cihazlarla müqayisədə portativliklə, konstruksiyasının sadəliyi ilə və qiymətdə sərfəli olmasi ilə fərqlənir. EKS-lar daha çox işlənib-hazırlanmış və cihazlar arasında geniş istifadə olunan qrupu təşkil edir, hansılar ki, analiz olunan mühitdə kimyəvi əlaqə gedən zaman analitik siqnalı yaradır. Potensiometrik, ampermetrik, konduktometrik elektrokimyəvi sensorlar mövcuddur. Analitik siqnala bunlar daxildir: indiqator elektrodunun (elektrokimyəvi hüceyrədə 0 cərəyanda, verilmiş elektrodun potensialında hüceyrədən keçən cərayandır). Elektrolit məhlulunun elektrokeçiriciliyi ola bilər. EKS-lar əsasən reaksiya qabiliyyətli (elektroaktiv) maddələrin təyini üçün xırda elektrokimyəvi hüceyrənin hansıki, analitik siqnalı generasiya edir, indikator elektrodunda elektrokimyəvi reduksiya və oksidləşməyə qadirdir.İndiqator elektrodlara inetrt elektrodlar (Pt,Pd,Au,Ag), kimyəvi aktiv (Cu,İn,Sn) və ya kompleks maddələrdə modifikasiya olunan həmçinin ionoselektiv elektrodlat aiddir, elektrolitlər (KCl,H₂SO₄ məhlulları,buffer mahlullar), bərk (ZrO₂, Al₂O₃, Sb₂O₅ *n H₂O və s.) qatılaşdırılmış həmçinin polielektrolitlər aiddir.

Elektrokimyəvi elementin iş prinsipi

• Daha dəqiq desək elektrokimyəvi sensorlar elektrik sensorların bir növüdür. Amma burada elektrik siqnallar kimyəvi çevrilişlərə meylli olan “elektron keçirici -elektrolit” sistemində yaranırlar və o dərəcə də spesifikdirlər ki, onları adətən (əsasən kimyaçılar) sensorların başqa sinifinə aid edirlər.

Cərəyanın elektron keçiricisi (metal, qrafit, elektron yarımkeçirici), ion keçirici (ion məhlul, ərinti, gel, qatı və bərk elektrolitlər) ilə əlaqəyə girdikdə həmçinin ona nisbətən kimyəvi aktiv olur. Kontakt yerlərində metalın oksidləşmə reaksiyası baş verir, prosesin gedişatında metalın bir qism elektronları elektrolitə keçir. Bunun nəticəsində, metal müsbət yüklənir, elektrolit isə mənfi, nəticədə isə metal və elektrolit arasında potensial fərqi meydana gəlir. Əgər elektrik zənciri açıqdırsa, sistemdən daxili elektrik cərəyan keçə bilmirsə, o zaman dinamik bərabərlik çox tez zamanda qurulur: düz-kimyəvi elektrod reaksiyasında metaldan elektrolitə 1 saniyə müddətində keçən elektronların sayı potensial fərqi nəticəsində elektrolitdən metala keçən elektronların sayı ilə müqayisə olunur.

• Bu zaman tərs kimyəvi elektrod reaksiyası gedir. Dinamik bərabərliyə çatdıqda yaranan potensial fərqi elektrod potensialı adlanır. Bərabərlik və beləliklə, elektrod potensialın qiyməti düz və tərs elektrik kimyəvi reaksiyasının kinetikasına təsir göstərən bütün faktorlardan asılıdırlar:

1. reaksiyanın aktivlik enerjisindən;
2. elektron keçiricinin hazırlandığı materialdan ;
3. oksidləşmə və reduksiya reaksiyalarında ola bilən elektrolitdən ionların tərkib və qatılığından;
4. ionların təbiətindən və hərəkətli olmasından;
5. elektrolit və elektrodun temperaturundan;
6. diffuziya və qarışdırma şərtlərindən;
7. mənbələrin varlığından və iştirak edən maddərin ehtiyat sahəsindən (stok) məsələn xaricdən maddələrin axıntısından və ya reaksiyada alınan maddələrin çöküntüsünün qalınlığından və s .

Tətbiqi

Batareya ilə birləşən və kompyuterə qoşulmuş kimyəvi sensorlar mürəkkəb qarışıqların analizini həyata keçirir və hər bir komponentin tərkibi haqqında differensial məlumat verir. Sensor analizatorlara yerləşdirilən mikrosxemlər temperatur və rütubət dəyişikliyinə düzəliş edilməsinə, mühitin digər komponentlərinin təsirini nəzərə almağa, ölçülərin dəqiq qeydə alınması (qradirovka) prosesini aparmağa və göstəriş şkalasında sıfır göstəricisini quraşdırmağa imkan yaradır.

Mənbə

1. T.M. Нагиев. «Взаимодействие синхронных реакций в химии и биологии» Баку: Элм. 2001. 403 с.
2. Nagiev T.M. Coherent Synchronized Oxidation by Hydrogen Peroxide. Amsterdam: Elsevier. 2007.325 p.
3. Nagiev T.M.“Biomimetic Based Application”. Preface IX, Chapter 4, Croatia, INTECH, 2011, р.105.
4. Биосенсоры основы и приложения./Под ред.Э.Тернера и др.М.Мир. 1992. 614с.
5. Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств. Соросовский образовательный журнал. №12, 1996, с,26-32.
6. T.M. Нагиев. «Взаимодействие синхронных реакций в химии и биологии» Баку: Элм. 2001.403 с.
7. Nagiev T.M. Coherent Synchronized Oxidation by Hydrogen Peroxide. Amsterdam: Elsevier. 2007.325 р.
8. Nagiev T.M.“Biomimetic Based Application”. Preface IX, Chapter 4, Croatia, INTECH, 2011, р.105.
9. Биосенсоры основы и приложения./Под ред.Э.Тернера и др.М.Мир. 1992. 614с.
10. Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств. Соросовский образовательный журнал. №12, 1996, с,26-32.