حسگرهای شیمیایی

حسگر شیمیایی یک دریافتگر حسی است که محرّک‌های شیمیایی خاصی را در محیط تشخیص می‌دهد.
استفاده از حسگرهای شیمیایی یکی از پیشرفته‌ترین روش‌ها در شیمی تجزیه محسوب می‌شود که اندازه‌گیری کمّی گونه‌های مختلف را به صورت آنی ممکن می‌سازد. فناوری الکترونیکی و نوری موجود، این ابزارها را گسترده‌تر و پیشرفته‌تر کرده است. در طراحی یک حسگر، دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی و فیزیک حضور دارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی، عنصر حسگر آن است که در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر، مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه مورد نظر در یک نمونه پیچیده است. پس از این پیوند، آشکارساز سیگنال های شیمیایی را که در نتیجه پیوند شدن عنصر حسگر با گونه موردنظر تولید شده، به یک سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی‌بادی‌ها تکیه دارند؛ آنزیم‌ها، گیرنده‌ها یا کل سلول‌ها می‌توانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند.

حسگرهای شیمیایی شامل لایه حس‌کننده‌ای هستند که در اثر برهمکنش گونه شیمیایی (آنالیت) با این لایه، سیگنال الکتریکی ایجاد می‌شود. سپس این سیگنال تقویت و پردازش می‌شود. بنابراین عمل حسگرهای شیمیایی شامل دو مرحله اصلی است که عبارتند از: تشخیص و تقویت. به طور کلی وسیله‌ای که انجام این فرایند را بر عهده دارد، حسگر شیمیایی نامیده می‌شود. این وسیله اطلاعات مربوط به ترکیب شیمیایی محیط عمل خود را جمع‌آوری کرده و به صورت سیگنال نوری یا الکتریکی به پردازشگر منتقل می‌کند. شکل 1 مکانیزم عمل یک حسگر شیمیایی را نشان می‌دهد. یک مثال عینی از این حسگرها در طبیعت، بینی انسان است که در آن، با برخورد مولکول‌های مواد به سلول‌های عصبی، سیگنال عصبی تولید و سپس تقویت شده و به مغز ارسال می‌شود [1].

شکل 1 – شمایی از یک حسگر شیمیایی [1].

به طور ایده‌آل یک حسگر شیمیایی، مستقیماً در تماس با نمونه قرار می‌گیرد و نتایج مناسب را در زمان کم، دقت (Precision) و گزینش‌پذیری (Selectivity) بالا ارائه می‌کند. معمولاً حسگر و فرایند حس کردن به گونه‌ای طراحی می‌شود تا نیازی به نمونه‌برداری (Sampling)، رقیق‌سازی (Dilution)، افزایش واکنشگر (Reagent) و غیره نباشد. سادگی استفاده از این حسگرها سبب شده است تا در زمینه‌های گوناگون از آن‌ها استفاده شود؛ در شیمی بالینی، کنترل عوامل بیماری‌هایی نظیر دیابت، تشخیص و ردیابی گازهای خاص مانند اکسیژن و منوکسید کربن و غیره کاربرد دارند. همچنین از حسگرها برای تعیین میزان آلوده‌کننده‌های محیط زیست، کنترل و فرایند صنایع غذایی نیز استفاده می‌شود.
از ویژگی‌های مهّم حسگرهای شیمیایی، امکان ساخت آن‌ها در اندازه‌های بسیار کوچک است. این کوچک شدن، امکان اندازه‌گیری گونه‌های مختلف را، حتی در سلول‌های بدن موجودات زنده، فراهم می‌کند.

1-2- انواع حسگرهای شیمیایی
حسگرهای شیمیایی را بر اساس مبدل به کار رفته برای تبدیل تغییر شیمیایی به یک سیگنال قابل پردازش، به چهار دسته تقسیم‌بندی می‌کنند: حسگرهای گرمایی، حسگرهای جرمی، حسگرهای الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرومتری، هدایت‌سنجی) و حسگرهای نوری.

1-1-2- حسگرهای گرمایی
گرما از ویژگی‌های عمومی واکنش‌های شیمیایی است؛ بر این اساس، یک فاکتور فیزیکی مناسب برای حسگری، تشخیص و اندازه‌گیری تغییرات دمای ایجاد شده در حین انجام یک واکنش است که متناسب با تغییرات غلظت آنالیت است. برای این کار، فقط مقدار جزئی از محلول برای کنترل دما نیاز است. واکنش‌های آنزیمی از جمله واکنش‌هایی هستند که می‌توان به عنوان واکنش‌های شیمیایی انتخابی برای تولید گرما به کار برد؛ به همین دلیل در اکثر حسگرهای گرمایی، از آنزیم‌ها برای عمل حسگری استفاده شده است. ترانزیستورهای آنزیمی به دسته‌ای از این نوع حسگرها گفته می‌شود که در آن‌ها برای گرماسنجی، از سیستم‌های میان جریانی استفاده شده است. در این سیستم‌ها، واکنش آنزیمی در یک ستون حاوی واکنشگر آنزیمی اتفاق می‌افتد و گرمای خروجی در پایان ستون و در محل خروج جریان نمونه و محلول اندازه‌گیری می‌شود.
در ساخت حسگرهای گرمایی از دو نوع ردیاب گرمایی استفاده می‌شود؛ از بین این ردیاب‌ها، ترمیستور (Thermistor) معمول‌ترین آن‌هاست که به علت قیمت ارزان، در دسترس بودن، پایداری و حساسیت بالا، کاربرد بیشتری دارد. پیروالکتریک‌ها (Pyroelectric) نوع دیگر مبدل‌های به‌کار رفته در حسگرهای گرمایی هستند که حساسیت بسیار بالایی برای حسگری گرمایی دارند. با استفاده از آن‌ها می‌توان گرمای جذب شده توسط لایه گاز را ردیابی کرد. نوع دیگر حسگرهای گرمایی، ریزحسگرهای زیستی ساخته شده از تراشه سیلیکونی هستند که حساسیت بیشتری نسبت به حسگرهای ترمیستور معمولی دارند. از جمله کاربردهای حسگرهای گرمایی می‌توان موارد زیر را نام برد: تعیین کلسترول، اندازه‌گیری خواص کاتالیزوری سل‌های تثبیت شده، کنترل فرایندهای زیستی، اندازه‌گیری آب در مواد غذایی و …. شکل 2 یک حسگر گرمایی را نشان می‌دهد [2].

شکل 2- یک حسگر گرمایی با لایه دوگانه، ML، لایه تغییرشکل‌دهنده مغناطیسی،GL، و لایه چسب، CL ا[2].

2-1-2- حسگرهای جرمی
همانند اندازه‌گیری گرمای حاصل از یک واکنش، از اندازه‌گیری تغییر جرم نیز  می‌توان به عنوان معیار مناسبی برای حسگرهای شیمیایی استفاده کرد. این ویژگی را می‌توان برای واکنش‌هایی استفاده کرد که به دلیل خروج یک واکنشگر کاتالیستی انتخابی، تغییری در جرم خالص ایجاد می‌شود. این حسگرها دارای دو ویژگی مهّم هستند؛ اوّل این که از آن‌ها می‌توان در فاز مایع استفاده کرد و دوم این که به دلیل کاربرد در فاز گازی و انتخابگری در این فاز، برای کاربردهای ایمنی‌سنجی استفاده می‌شوند.
دو نوع عمده از حسگرهای جرمی وجود دارند که در نوع اول از نوسانگرهای توده‌ای پیزوالکتریک (Piezoelectric) و در نوع دوم از امواج آکوستیک سطحی (Surface Acoustic Waves) استفاده می‌شود. به طور کلّی در ساخت نوسانگر می‌توان از کوارتز و پلی وینیل فلوریدین استفاده کرد. کوارتز متداول‌ترین ماده‌ای است که برای نوسانگرهای توده‌ای مثل ریزترازوی کریستال (Crystal Microbalance) به‌کار می‌رود. کوارتز دارای بلورهای نامتجانسی است که فاقد مرکز تقارن هستند و هنگامی‌که تحت تأثیر یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، از نظر مکانیکی تغییرشکل می‌دهند. در نتیجه با استفاده از یک پتانسیل الکتریکی نوسان‌کننده، بلور به طور مکانیکی مرتعش می‌شود. هر بلور دارای یک فرکانس ارتعاشی رزونانس است که می‌تواند تحت‌تأثیر محیط خود تنظیم شود؛ فرکانس معمولی این ارتعاش در حدود MHz 10 است؛ در عمل فرکانس ارتعاش یک بلور پیزوالکتریک، متناسب با جرم بلور و سایر مواردی است که سطح بلور را می‌پوشانند [3].
علاوه بر بلورهای کوارتز از مواد دیگری مثل پلی وینیل فلوریدین به صورت آرایه مجتمع نیز استفاده می‌شود. شمایی از یک حسگر جرمی در شکل 3 دیده می شود.

شکل 3 – نمونه‌ای از یک حسگر جرمی نوع SAW ا[3].

3-1-2- حسگرهای الکتروشیمیایی
قدیمی‌ترین و بزرگ‌ترین گروه حسگرهای شیمیایی، حسگرهای الکتروشیمیایی هستند؛ پاسخ ایجاد شده در این حسگرها، از برهمکنش بین شیمی و الکتریسیته ناشی می‌شود. امروزه تعداد زیادی از این حسگرها به صورت تجاری ساخته شده و در بازار موجود هستند و تعداد زیادی هم در مراحل توسعه هستند.
حسگرهای الکتروشیمیایی را به سه دسته تقسیم می‌کنند:
حسگرهای پتانسیومتری (اندازه‌گیری ولتاژ سل)، حسگرهای آمپرومتری (اندازه‌گیری جریان سل)، حسگرهای هدایت‌سنجی (اندازه گیری‌هدایت).

4-1-2- حسگرهای نوری شیمیایی
حسگرهای نوری شیمیایی از جمله جوان‌ترین حسگرهای شیمیایی هستند. دلایل متعددی برای توجه زیاد به این حسگرها وجود دارد:
وسایل نوری لازم جهت استفاده در این حسگرها قبلاً توسعه یافته‌اند و به راحتی قابل استفاده در حسگرهای شیمیایی هستند. کاربرد زیادی برای کنترل فرایندها از راه دور دارند که کاربرد آن‌ها را ایمن‌تر می‌کند. می‌توان آن‌ها را در اندازه‌های کوچک ساخت و حتی در نوک یک فیبر نوری قرار داد.
حسگرهای نوری شیمیایی مانند حسگرهای الکتروشیمیایی از دانش وسیع طیف‌سنجی (Spectroscopy) استفاده می‌کنند که به راحتی قابل تبدیل برای حسگرهای راه دور هستند. از حسگرهای نوری به صورت‌های مختلفی نظیر اندازه‌گیری جذب، فلورسانس و لومینسانس در گستره وسیعی از طول موج‌ها استفاده می‌شود.
حسگرهای نوری شیمیایی بر اساس کاربرد، به دسته‌های متعددی تقسیم‌بندی می‌شوند، مانند: حسگرهای نوری ایمن شیمیایی (Immunosensor)، حسگرهای pH، حسگرهای نوری گازی، حسگرهای رطوبتی، حسگرهای نوری یونی، حسگرهای مورد استفاده در شیمی نفت و … [6].

3- مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها
مواد مورد استفاده در ساخت حسگرها را می‌توان به دو دسته کلاسیک و پلیمر تقسیم‌بندی کرد:

1-3- مواد کلاسیک
اساس کار حسگرهای حالت جامد (Solid State) پاسخ الکتریکی به محیط شیمیایی است. به عنوان مثال، خواص الکتریکی با حضور فاز مایع یا گاز تغییر می‌کند؛ این تغییرات برای تشخیص گونه‌های شیمیایی به کار می‌رود. اگرچه حسگرهای شیمیایی سیلیکونی مثل (Field Effect Transistor- FET) توسعه یافته‌اند، اما قیمت و تکنولوژی مورد نیاز برای ساخت آن‌ها و نیز مشکلاتی نظیر تکرارپذیری، پایداری، حساسیت و انتخابگری، باعث شده است تا کاربرد آن‌ها همچنان محدود باشد. حسگرهای نیمه‌رسانای اکسید فلزی مانند پودرهای فشرده و فیلم‌های نازک SnO_2، اثر فعالسازی کاتالیستی نیز دارند. جدول (1) فهرستی از مواد مورد استفاده در انواع حسگرها را نشان می‌دهد [4].

جدول 1- فهرستی از مواد مورد استفاده در انواع حسگرها [4].

2-3- پلیمرها
مواد پلیمری در دهه گذشته به میزان بسیار وسیعی در زمینه تکنولوژی ساخت حسگرها به کار برده شده‌اند. این مواد، مزایای زیادی برای کاربرد در ساخت حسگرها دارند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

– پلیمرها را می‌توان بر روی انواع مختلفی از بسترها نشاند.
– برخی از گونه‌های شیمیایی را می‌توان به صورت شیمیایی بر روی بسترهای پلیمری نشاند و میزان نشت واکنشگر را درون محلول نمونه کاهش داد.
– تنوع پلیمرها از نظر ویژگی‌های ساختاری نظیر دارا بودن زنجیرهای جانبی یا باردار بودن یا خنثی بودن ذرات و غیره، که باعث ایجاد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مناسب برای حسگری می‌شود.
– امکان انحلال یا پراکندگی کاملاً یکنواخت شناساگر شیمیایی در بافت پلیمر مهیّاست.
– پایداری مکانیکی پلیمرها امکان استفاده درازمدت از حسگر و ایجاد پایداری بالای آن را سبب می‌شود؛ ساختار پلیمر در برخی موارد باعث بهبود خواصی مانند انتخابگری و حساسیت می‌شود.
– پلیمرها مواد نسبتاً ارزان قیمتی هستند و تکنیک‌های ساخت آن‌ها ساده و راحت است و به شرایط خاص و ویژه‌ای نیاز ندارد. در مواردی حتی در شرایط عادی آزمایشگاه، پلیمریزاسیون لازم برای ساخت یک لایه حسگر انجام می‌شود.
پلیمرها و مواد مناسب برای ساخت حسگرها باید تعدادی ویژگی خاص داشته باشند که عبارتند از:
– حلالیت شناساگر در بافت پلیمر
– طول عمر مناسب
– عدم بلوری شدن یا مهاجرت یا جهت‌گیری مجدد گونه‌ها
– نداشتن اثر کهولت و استهلاک
– پایداری در مقابل مواد شیمیایی مثل اسیدها، بازها و اکسنده‌ها
– شفافیت در مقابل نور
– زیست‌سازگاری (سمی نبودن مواد)
– نداشتن رنگ یا لومینسانس ذاتی (در کاربرد به عنوان زمینه)
در ساخت چنین حسگرهایی از یک بافت پلیمری استفاده می‌شود. یک ترکیب دارای خواص نوری به عنوان ماده حس‌کننده در داخل زمینه پلیمر (حسگر توده‌ای) یا در روی سطح آن (حسگر سطحی) تثبیت می‌شود. لذا پلیمر تنها نقش نگهدارنده واکنش‌گر یا یک بستر جامد را بر عهده دارد. لازم به ذکر است که در این حسگرها، غشا پلیمری به کار رفته علاوه بر نگه‌داشتن شناساگر در یک مکان مشخص و ثابت، نقش‌های دیگری نیز بر عهده دارد. خواص نفوذپذیری غشا می‌تواند سبب دفع سایر گونه‌ها یا یون‌هایی شود که به عنوان مزاحم محسوب می‌شوند. به عنوان مثال، از غشاهای آب‌گریز به منظور دفع مواد غیرفرار، در حسگرهایی که برای اندازه‌گیری غلظت گازها در آب به کار می‌روند، استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیری
قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی، عنصر حسگر آن است. عنصر حسگر در تماس با یک آشکارساز است و مسئول شناسایی و پیوند شدن با آنالیت هدف (گونه موردنظر) در یک نمونه پیچیده است. آشکارساز، سیگنال‌های شیمیایی را که در نتیجه پیوند شدن عنصر حسگر با آنالیت تولید شده‌اند، به یک سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. در طراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف نظیر بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه‌های مختلف شیمی (آلی، تجزیه، فیزیک و سطح) و شاخه‌های فیزیک (مکانیک، نور، ترمودینامیک) حضور دارند. حسگرهای شیمیایی، نانوحسگرها و حسگرهای زیستی از مورد علاقه‌ترین شاخه‌های شیمی هستند؛ این موضوع را می‌توان از حجم مطالعات انجام گرفته و همچنین تنوع روش‌های به‌کار گرفته شده در این زمینه، نتیجه گرفت. این امر خصوصاً به خاطر مطالبات و نیازهای جدیدی است که در تشخیص‌های طبی، تجزیه‌های محیطی، تجزیه مواد غذایی و نظارت بر تولید برخی فرآورده‌ها به وجود آمده است. به عنوان نمونه، حسگرها می‌توانند در تشخیص داروهای غیرمجاز، مواد سمی و عوامل جنگ‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند.