Хімічні датчики

Датчики для вимірювання та виявлення хімічних речовин є широко поширеними. Вони використовуються, щоб більш ефективно допомогти запустити наші автомобілі, розшукати злочинців, і контролювати наше довкілля і здоров'я. Прикладом того, як вони використовуються, є моніторинг кисню у вихлопних системах автомобілів, рівня глюкози в зразках хворих на цукровий діабет, а також викидів двоокису вуглецю в навколишнє середовище. У лабораторних умовах хімічні детектори є серцем, ключовим елементом аналітичного устаткування, яке застосовується в розробці нових хімічних речовин, виявлення наркотиків і для контролю промислових процесів. Прогрес є вражаючим, і в літературі з'явилося багато повідомлень про цікаві розробки. Останні події включають в себе широкий спектр технологій, у тому числі вдосконалені системи фільтрації для забезпечення екологічної безпеки [1] і мініатюризація систем датчиків одноразового використання в лабораторних умовах [2]. Хімічні датчики реагують на впливи, спричинені різними хімічними речовинами або хімічними реакціями. Ці датчики призначені для ідентифікації та кількісного визначення хімічних речовин (у тому числі і в рідкій і в газоподібній фазі).

У промисловості хімічні датчики використовуються для контролю техпроцесів та якості при виробництві пластмас і у виробництві ливарних металів, де кількість дифундуючих газів впливає на властивості металу, наприклад на його крихкість. Вони використовуються для екологічного моніторингу робочих місць, контролю їх небезпечного впливу і обмеження ризику для здоров'я. Хімічні датчики можуть знайти багато нових застосувань в якості електронних носів.

Електронний ніс зазвичай використовує різні типи сенсорних технологій [3] для того, щоб імітувати можливості нюху ссавців [4]. У медицині хімічні датчики використовуються для визначення здоров'я пацієнтів шляхом моніторингу вмісту кисню та інших газів в легенях і в зразках крові. Ці датчики часто використовуються для тестування рівнів вмісту алкоголю в крові і в якості індикаторів проблем травлення у пацієнтів. У військовій техніці хімічні датчики використовуються для виявлення складів пального та попередження солдат про наявність в повітрі отруйних речовин. Хімічні датчики служать для виявлення мікродомішок в рідинах, і, наприклад, вони використовуються для пошуку і контролю забруднення грунтових вод поблизу військових, цивільних і промислових об'єктів, де зберігаються значні кількості хімічних речовин, використовуються або скидаються [5]. Комбінації датчиків для рідини і газу використовуються для експериментальних військових застосувань при контролі речовин, отриманих на заводах і атомних станціях з метою їх перевірки відповідно до договорів про зброю.

1. Огляд

Традиційно хімічне зондування невідомих речовин здійснюється в аналітичних лабораторіях зі складним стаціонарним обладнанням, включаючи, наприклад, мас- спектрометри, хроматографію, ядерний магнітний резонанс, рентгенівську і інфрачервону технології. Ці методи дуже точні і можуть визначити більшість класів невідомих хімічних речовин з високим ступенем достовірності. Тим не менше, ці інструменти досить дорогі і вимагають кваліфікованого персоналу для їх роботи. Тому були прикладені значні зусилля для розробки мініатюрних і недорогих систем зондування для вирішення конкретних завдань. Були досягнуті вражаючі успіхи і багато сенсорних систем зараз доступні за низькими цінами, але у цих мініатюрних систем традиційно є проблеми з чутливістю, селективністю, довготривалою стабільністю і з відтворюваністю. Тут представлений огляд хімічних датчиків і сенсорних систем як для аналітичних лабораторій, так і мініатюрних систем для конкретних програм.