پایان نامه با کلید واژه های حسگرهای، شیمیایی، نوری، آنالیت

دانلود پایان نامه

معنی‌دار بودن یا نبودن مقدار PRESS از F-test استفاده می‌شود. هالند و توماس به طور تجربی دریافتند که مقدار F در احتمال 75% انتخاب خوبی است. در عمل آن تعداد فاکتورهایی برای PRESS انتخاب می‌شود که مقدار F آن کمتر از 75% باشد [34-32].

1-16- پارامترهای آماری
پارامترهای متعددی برای ارزیابی توانایی پیش‌بینی مدل وجود دارد [35]. اختلاف جذر مربعات میانگین (RMSD)66 بیانگر میانگین خطا در آنالیز برای هر گونه است که توسط رابطه زیر محاسبه می شود.
(1-28)
توانایی پیش گویی یک روش کالیبراسیون را می توان به صورت خطای نسبی پیش‌گویی67(REP) بیان کرد که با رابطه زیر نشان داده می‌شود:
(1-29)

که Xi غلظت حقیقی آنالیت در نمونه i و غلظت پیش گویی شده آنالیت در نمونه i ومیانگین غلظت‌های حقیقی و n تعداد کل نمونه استفاده شده در مجموع داده‌های مرحله پیش گویی است. اخیراً برای ارزیابی قابلیت پیش گویی یک مدل از RMSEP68 و RSEP69 استفاده می‌شود که نشان دهنده خطا در مرحله پیش گویی می‌باشند و به صورت زیر نمایش داده می‌شوند:
(1-30)

(1-31)

1-17- تجزیه‌های اسپکتروفتومتری
روش‌های اسپکتروفتومتری جزء روش‌های تجزیه‌ای سریع، حساس و ارزان قیمت می باشد که در دهه‌های اخیر از روش‌های اسپکتروسکوپی برای آنالیزهای کمی برای سیستم‌های تک جزئی و چند جزئی مورد استفاده‌ی فراوان قرار گرفته است. با توجه به پیشرفت تکنولوژی و اتصال دستگاه‌هایی همانند Spectrophotomete UV-Visible به کامپیوتر می‌توان اطلاعات وسیعی را برای هر گونه سیستم آزمایشگاهی ثبت کرد و به طور هم زمان در طول موج‌های مختلف اطلاعات تجزیه‌ای را بررسی کرد. در آزمایش‌های اسپکتروفتومتری، غلظت آنالیت مورد آنالیز با در دست داشتن ضریب جذب مولی در طول موج مناسب و حل معادله‌ی بیر به دست می‌آید. اما وقتی به جای استفاده از یک طول موج از چندین طول موج استفاده می‌شود، استفاده از آنالیزهای خطی راه مناسب و موثری برای حل مساله می‌باشد [40-36].
استفاده از روش‌های چند طول موجی به خصوص هنگامی که برای آنالیز چند گونه استفاده می‌شود و یا آنالیز یک گونه در بافت‌های پیچیده بسیار مفید خواهد بود. به این منظور استفاده از روش‌های کالیبراسیون چند متغیره به جای روش‌های کالیبراسیون تک متغیره بسیار مفیدتر خواهد بود و باعث افزایش دقت و صحت آنالیزهای مورد نظر می‌شود.
هنگامی که از روش‌های چند متغیره برای آنالیزهای کمی استفاده می‌شود، همپوشانی سیگنال‌ها از جمله مشکلات مورد بحث خواهد بود. که این مساله توسط روش‌های کمومتریکس از قبیل کالیبراسیون‌های چند متغیره همانند کمترین مربعات جزئی، هوش‌های مصنوعی و روش‌های بسیار گوناگون کمومتریکس قابل حل می باشد.

1-18- حسگر شیمیایی
به طور کلی حسگر شیمیایی وسیله کوچکی است که بر روی نمونه و یا در داخل آن قرار میگیرد و سیگنال تولید شده توسط آن با غلظت آنالیت در داخل محلول ارتباط دارد. ساختمان کلی حسگرشیمیایی در شکل (1-9) آورده شده است. مهمترین قسمت، عنصر حسگر میباشد که در آن شناسایی یونی یا مولکولی انجام میشود، از این رو این قسمت به عنوان انتخابگر کلی حسگر در نظر گرفته میشود. سطح عنصر حسگر گاهی اوقات با لایههای افزودنی دیگر پوشیده میشود که این لایه به عنوان یک لایه حفاظتی طول عمر حسگر و ناحیه دینامیکی آن را افزایش میدهد و یا از رسیدن گونههای مزاحم به سطح حسگر جلوگیری میکند. فرایند شناسایی یا در سطح عنصر حسگر انجام میشود و یا در درون آن. خود آشکارساز نمیتواند انتخابگری را افزایش دهد ( به جز در مواردی که شبیه به الکترودهای الکتروشیمیایی سیگنالی متناسب با غلظت آنالیت تولید میکنند)، اما در حساسیت حسگر تأثیر دارد و همراه با عنصر حسگر ناحیه دینامیکی غلظتی مشخصی را تعیین میکند.سیگنال تولید شده توسط آشکارساز معمولاً با استفاده از وسیلهای که در کنار آشکارساز و یا آمیخته شده با آن قرار میگیرد تقویت میشود. در نهایت سیگنال تقویت شده به بخش پردازشگر دادهها میرود و پس از آنالیز دادهها از روی خروجی سیستم قرائت میشود ]41[.

شکل 1-9- آرایش کلی حسگر شیمیایی یا بیوشیمیایی
سادگی استفاده از حسگرهای شیمیایی سبب شده است تا در زمینههای گوناگون از آنها استفاده شود. این حسگرها در شیمی کلینیکی تشخیص و ردیابی گازهای خاص مانند اکسیژن و مونواکسید کربنو غیره کاربرد دارند. همچنین این حسگرها در صنایع غذایی نیز بکار میروند.

1-19- انواع حسگرهای شیمیایی
به طور کلی حسگرهای شیمیایی را بر حسب مبدلهای استفاده شده در آنها به چهار دسته اصلی تقسیمبندی میکنند که عبارتند از حسگرهای گرمایی، جرمی، الکتروشیمیایی ( پتانسیومتری، آمپرومتری و هدایتسنجی) و حسگرهای نوری [42].

مطلب مشابه :  اشتغال زنان، خانواده در اسلام، نهاد خانواده، حضانت فرزندان

1-19-1- حسگرهای گرمایی
انجام واکنشهای شیمیایی منجر به تغییر دمای واکنش میشوند. بنابراین یک فاکتور فیزیکی خوب برای حسگری، تشخیص و اندازهگیری تغییرات دمایی ایجاد شده در حین واکنش میباشند زیرا که این تغییرات متناسب با غلظت آنالیت مورد نظر است. واقعیت مذکور در واقع اساس عمل حسگرهای شیمیایی گرمایی میباشد. برای این کار فقط مقدار جزئی از محلول، برای کنترل دما نیاز است.
در ساخت حسگرهای گرمایی از دو نوع ردیاب گرمایی استفاده میشود. از بین ای
ن ردیابها، ترمیستور معمولترین آنها میباشد که به علت قیمت ارزان، در دسترس بودن، پایداری و حساسیت بالا کاربردهای بیشتری از آن گزارش شده است. کریستال پیزوالکتریک نوع دیگری از ردیابهای گرمایی است که به سبب حساسیت بسیار بالا برای حسگرهای شیمیایی گرمایی پیشنهاد شده،به طوری که با استفاده از آنها میتوان گرمای جذبشده توسط یک لایه گاز را ردیابی کرد [43].

1-19-2- حسگرهای جرمی
تغییر جرم شبیه تغییر گرمای حاصل از واکنش، معیار مفیدی برای استفاده در حسگرهای شیمیایی جرمی میباشد. بر مبنای این ویژگی، دسته جدیدی از حسگرهای شیمیایی به نام حسگرهای جرمی ساخته شدهاند که تغییر جرم ایجاد شده در سطح یک مبدل را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکنند. دو امتیاز اصلی و کاربردی این دسته از حسگرها سبب گسترش و توسعه آنها در سالهای اخیر شده است: اول امکان استفاده از آنها در حسگری شیمیایی در فاز مایع و دوم گزینشپذیری خوب آنها در فاز گازی جهت کاربردهای ایمنی سنجی. حسگرهای جرمی به دو دسته عمده تقسیم میشوند: دسته اول حسگرهایی هستند که شامل نوسانگرهای تودهای پیزوالکتریک میباشند و دسته دوم که بر اساس وسایل امواج اکوستیک ساخته میشوند. کریستال کوارتز معمولترین وسیلهای است که به عنوان نوسانگر پیزوالکتریک در ساخت مبدل جهت حسگرهای جرمی استفاده میشود. علاوه بر کوارتز از مواد دیگری مثل اکسید روی نیز در ساخت این مبدلها استفاده شده است [44].

1-19-3- حسگرهای الکتروشیمیایی
قدیمیترین گروه از حسگرهای شیمیایی، حسگرهای الکتروشیمیایی میباشند. تعداد زیادی از این حسگرها امروزه به صورت تجارتی ساخته و به بازار عرضه میشوند و تعداد زیادی نیز هنوز در مراحل توسعه و اصلاح هستند. در منابع مختلف [45]، عملکرد حسگرهای الکتروشیمایی را نتیجهای از برهمکنش بین شیمی و الکتریسیته دانستهاند. حسگرهای الکتروشیمیایی را بر اساس نوع اندازهگیری در آنها به سه دسته مختلف تقسیمبندی میکنند: حسگرهایی پتانسیومتری(اندازهگیری ولتاژ)، حسگرهای آمپرومتری(اندازهگیری جریان) و حسگرهای هدایتسنجی(اندازهگیری رسانایی).

1-19-3-1- حسگرهای پتانسیومتری
الکترودهای یونگزین، بزرگترین و قدیمیترین دسته حسگرهای شیمیایی هستند. حسگرهای پتانسیومتری، شبیه سایر سیستمهای پتانسیومتری در شرایط جریان صفر عمل میکنند. از این حسگرها برای اندازهگیری گونههای مختلف از قبیل یونهای فلزات سنگین [46] استفاده شده است. حسگرهای پتانسیومتری بر اساس ساختمان خود به دو دسته حسگرهای پتانسیومتری متقارن و غیرمتقارن تقسیم میشوند. حسگرهای پتانسیومتری متقارن در واقع همان الکترودهای کلاسیک و اولیه یونگزین میباشند که شامل یک غشاء بوده و بین دو محلول حاوی یون قرار گرفته است، مانند الکترود انتخابگر pH. حسگرهای پتانسیومتری غیرمتقارن در واقع همان حسگرهای پتانسیومتری متقارن در اندازههای کوچک هستند. در این دسته از حسگرهای پتانسیومتری، یک طرف از غشاء حساس به گونه مورد نظر در تماس با یک فاز جامد بوده و طرف دیگر آن در معرض محلول مورد اندازهگیری قرار میگیرد. این حسگرها شامل ترانزیستورهای اثر میدان یونگزین (ISFET)، حسگرهای هیبریدی و همچنین زیستحسگرهای پتانسیومتری میباشند.

1-19-3-2- حسگرهای آمپرومتری
قدیمیترین حسگر آمپرومتری، الکترود اکسیژن کلارک است که در سال 1956 ساخته شد. در این نوع حسگرها اطلاعات تجزیهای از طریق ارتباط بین جریان و غلظت در یک پیل الکتروشیمیایی به دست میآیند. این الکترود بعدها به صورت یک حسگر آمپرومتری کامل در آمد و با گذشت زمان، مواد استفاده شده و ساخت آن مورد بررسی بیشتر و اصلاح قرار گرفت [47]. انتخاب پتانسیل برای عمل الکترود کار فقط حداقل گزینشپذیری را در این حسگرها تأمین میکند لذا در ساخت آنها باید از لایههای شیمیایی اضافه برای اصلاح و تکمیل استفاده شود. این لایههای شیمیایی را میتوان به دو دسته زیستلایهها مثل لایههای آنزیمی، لایههای ایمنشیمیایی (زیست حسگرها) و لایههای شیمیایی-سنتزی تقسیم نمود. بر این مبنا الکترودهای اصلاح شده را میتوان قسمت عمدهای از حسگرهای آمپرومتری دانست. این الکترودهای آمپرومتری به عنوان حسگرهای شیمیایی برای تعیین گونههای مختلفی از جمله آلایندههای زیستمحیطی به کار گرفته شدهاند. اندازهگیری ترکیباتی از قبیل نیتریک اکسید بر پایه استفاده از الکترودهای پلیکریستالی پلاتین که توسط نافیون وسلولزاستات اصلاح شدهاند نیز از این قبیل میباشند. حسگرهای گازی آمپرومتری نیز گروه دیگری از این حسگرها میباشند.

مطلب مشابه :  توسعه اقتصادی

1-19-3-3- حسگرهای رسانایی سنجی
حسگرهای رسانایی سنجی، دسته دیگری از حسگرهای الکتروشیمیایی هستند که در آنها از رسانایی الکتریکی به عنوانی معیار حسگری استفاده میشود. این گروه از حسگرهای الکتروشیمیایی بر پایه تغییرات رسانایی الکتریکی یک فیلم یا یک توده از جنس خاص عمل میکنند. رسانایی الکتریکی با حضور آنالیت تحت تأثیر قرار گرفته و حسگر رسانایی آنالیت را اندازهگیری میکند.

1-20- حسگرهای نوری
حسگرهای نوری در سالهای اخیر از پیشرفت قابل ملاحظهای برخوردار بودهاند زیرا این تکنولوژِی متناسب با نیاز و علاقه به استفاده از این حسگرها در آشکارسازی پارامترهای شیمیایی خیلی مهم در بسیاری از صنایع و فرایندهای شیمیایی، کنترل محیط زیست ویا در زمینه بیوشیمیایی بوده است. در حال حاضر آنالیز شیمیایی در اغلب زمینههای ت
کنولوژی بشری انجام میشود و حسگرهای شیمیایی نوری مزایای زیادی را در وسایلی که کاربرد گستردهای در زمینههای زیستمحیطی، فرایند کنترل70 و دارویی ارائه میکنند. این حسگرها از لحاظ الکترونیکی غیرفعال هستند و مزاحمتهای الکتریکی و الکترومغناطیسی در آنها موضوعی مهم نمیباشند. همچنین حسگرهای نوری انعطافپذیر میباشند، به آسانی در مقیاس کوچک ساخته میشوند، گرانقیمت نمیباشند و ساختار ساده صفحهای دارند. این نوع از حسگرها در مقابل خوردگی مقاومت نشان میدهند و توانایی ارائه اطلاعات از محتوای نمونه را در زمان خیلی کوتاه دارند. استفاده از فیبرهای نوری با اتلاف کم اجازه عبور سیگنالهای نوری را در فاصلهای بیشتر از یک کیلومتر فراهم میکنند و استفاده از این حسگرها را در شناسایی از راه دور71امکانپذیر میسازد.علاوه بر این فواید اقتصادی بالایی با بکاربردن چندین حسگر نوری در یک دستگاه فراهم میشود. از آنجائیکه این وسایل اندازه کوچکی دارند میتوانند اندازهگیری آنالیت را بدون آشفته سازی محلول نمونه انجام دهند. حسگرهای گرمایی میتوانند برای آنالیتهای شیمیایی یا بیولوژیکی توسعه پیدا کنند که در آنها وسایل حسگری در دسترس و یا مناسب نمیباشد. علیرغم مزایای متعدد حسگرهای نوری معایبی هم دارند، از جمله نور محیط اطراف میتواند در اندازهگیری سیگنالهای نوری ایجاد مزاحمت کند. از این رو این حسگرها را یا باید در محیطی کاملاً تاریک استفاده کرد و یا از مدوله کردن72 سیگنال نوری به منظور جداسازی آن از نورهای محیطی بهره برد. در این مورد دتکتور هم باید به سیستم مدوله شده پاسخ دهد و بدین ترتیب دستگاه پیچیدهتر میشود. همچنین پایداری در زمان زیاد میتواند از جمله مشکلاتی باشد که در استفاده برخی از حسگرهای نوری با آن مواجه هستیم زیرا در انواع زیادی از حسگرهای نوری شناساگرهایی استفاده میشود که میتواند تحت تأثیر نورتخریب73 و یا نشت74 از روی حسگر قرار گیرد. این مسائل میتوانند تا حدودی با استفاده از نسبتگیری سیگنال در دو طول موج مرتفع شود.
از آنجائیکه شناساگر شیمیایی و آنالیت در دو فاز متفاوت قرار دارند، در نتیجه مرحله انتقال جرم نیاز به دسترسی به تعادل شیمیایی دارد که بدین ترتیب زمان پاسخ حسگر شیمیایی را افزایش میدهد. به طور کلی حسگرها ناحیه دینامیکی محدودی از غلظت آنالیت را در بر میگیرند. یک روش که میتواند این ناحیه دینامیکی را افزایش دهد استفاده از چندین حسگر میباشد که هر کدام گستره متفاوتی از آنالیت را اندازهگیری میکنند [48].

1-21- قواعد حسگری در حسگرهای نوری بر پایه جذب
خاصیت حسگری نوری گونههای شیمیایی بر اساس برهمکنش این گونهها با نور میباشد. اساس اندازهگیری در حسگرهای نوری شیمیایی میتواند بر پایه جذب، فلورسانس، لومینسانس شیمیایی، پراکندگی رامان و رزونانس پلاسمایی باشد. در ادامه با توجه به بکارگیری حسگرهای نوری جذبی در این به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

1-21-1 جذب
علاوه بر اینکه مواد باندهای جذبی مخصوص به خود را دارند، هنگامی که با یک واکنشگر مناسب برهمکنش نمایند مقدار جذب و ناحیه جذبی آنها میتواند تغییر کند و اختلاف جذب آنها به عنوان یک شاخص جهت بررسی میتواند آشکارسازی شود (به عنوان مثال شناساگرهای اسید و باز بسته به غلظت یون هیدرونیوم، شدت و موقعیت