En Nest -rök- och kolmonoxiddetektor ses den 16 januari, 2014, i Provo, Utah. George Frey/Getty Images Andas in och ut är något som våra kroppar gör utan att vi behöver tänka på det. Faktiskt, vi tänker sällan en gång till på luften som omger oss förrän kvaliteten är låg på något sätt - kanske från röken från en närliggande eld eller smog som omsluter våra trånga städer.
Men det kan finnas farliga gaser som inte alltid syns. Kolmonoxid och radon är två exempel på dödliga luftföroreningar som är helt osynliga. Vi inser inte att vi förgiftas från luften vi andas förrän det är för sent. Lyckligtvis, dessa gaser är inte så vanliga, och med hjälp av lite kemisk avkänningsteknik, vi kan låta kolmonoxid- och radondetektorer göra det oroande för oss.
Kemiska sensorer är till hjälp långt utöver att bara upptäcka dödliga gaser. Dessa enheter finns i våra hem, sjukhus och i militären. Det finns många olika typer av sensorer som detekterar olika målmolekyler (även känd som analyser ). Även om sensorerna fungerar på olika sätt, essensen är att en kemisk interaktion händer mellan analyten och något i sensorn, och enheten producerar en mätbar signal - ett pip eller en färgförändring för att varna oss för närvaron av målmolekylen.
Trots skillnaderna i konstruktion av sensorer, Det finns några vägledande principer som gör alla sensorer bra. Den ideala är billig, idiotsäker och bärbar. Viktigast, Varje kemisk sensor har två viktiga funktioner:selektivitet och känslighet. Det finns mer än 10 miljarder molekylära ämnen i världen, så att selektivt upptäcka en enda substans är ingen liten bedrift [källa:National Research Council]. Känslighet är också otroligt viktig för att detektera kemikalier på ett avsevärt avstånd eller för att försöka hitta mycket låga koncentrationer av en målmolekyl. Andra viktiga sensorfunktioner är responstid, förpackningsstorlek och detektionsgräns - den lägsta mängden av ett ämne som kan detekteras.
Innehåll
En kolmonoxiddetektor kan hindra dig från att förgiftas av gasånga. BanksPhotos/Getty Images Forskare och ingenjörer har utvecklat en mängd olika sensorer för olika ändamål, och som du kan tänka dig, de har alla sina egna arbetssätt. Trots allt, ett graviditetstestkit har sannolikt inte samma detektionsmekanism som en radondetektor, höger?
Alla kemiska sensorer riktar sig mot någon form av analyt, men det som händer när analyten är i sensorn är där skillnaderna framträder. Till exempel, sensorn kan binda analyten (tänk på en lås-och-nyckel-mekanism, men på molekylär nivå). Eller, sensorn kan ställas in så att analyten selektivt passerar genom en tunn film. Föreställ dig att filmen är en kemisk grindvakt som bara släpper igenom målmolekylen och hindrar allt annat från att gå in. Denna typ av sensor har den positiva egenskapen att den kontinuerligt kan återanvändas. En tredje sensorform använder analyten i en kemisk reaktion som genererar en produkt som skapar den läsbara signalen [källa:National Research Council]. Dessa tre mycket breda mekanismer täcker de flesta sensorer, men det finns fortfarande andra typer.
Till exempel, det finns direktavlästa elektrokemiska sensorer som använder diffusion av laddade molekyler för att leta efter förändringar i strömmen, konduktivitet eller potential att se om en målanalyt är närvarande. Ytters akustiska vågsensorer använder akustiska vågor som skickas från en elektrod till en annan över en yta. Sensorn är utformad så att om vågens hastighet ändras eller om den tappar intensitet, det signalerar närvaron av en målmolekyl bunden till ytan. Genom att mäta dessa förändringar, sensorn kan till och med kunna upptäcka mängder av det närvarande materialet [källa:National Research Council].
En annan cool innovation inom kemisk avkänningsteknik går mot att upptäcka inneboende egenskaper hos olika kemiska mål istället för att använda en molekylär interaktion för att driva upptäckten. Olika bindningar i molekyler har var och en signaturvibrationsmönster som kan detekteras i det infraröda området i det elektromagnetiska spektrumet. Genom att kombinera ljuskällor, filter och detektorer på ett enda chip, forskare vid Massachusetts Institute of Technology har kunnat upptäcka dessa molekylära fingeravtryck för att känna av en hel mängd molekyler, från föroreningar i vatten till elektrolyter i blodet hos nyfödda barn [källa:Bender].
Oavsett hur de fungerar, kemiska avkänningsanordningar är, utan tvekan, arbetar för dig. Ditt hem har förmodligen minst en detektor för radongas, rök eller kolmonoxid, beroende på lagarna i ditt land eller land. Många radonsensorer fungerar genom att absorbera själva radonen eller detektera de radioaktiva sönderfallsprodukterna från den dödliga gasen. Kolmonoxid, å andra sidan, är inte ett radioaktivt material, så detektorerna för denna gas fungerar annorlunda. En av de vanligaste mekanismerna för denna kemiska sensor är en riff på biologi. Dessa detektorer efterliknar hur kolmonoxid interagerar med hemoglobin i blod för att bestämma närvaron av gasen. En annan vanlig detektor i hemmet är en rökdetektor. Medan vissa använder radioaktiva material för att nosa ut rök, det mesta av avkänningen i rökdetektorer kommer från det fysiska, inte kemisk, fenomen med rökpartiklar som orsakar störningar som detekteras av detektorn.
Kemiska avkänningsanordningar har också utbredd användning utanför hemmet. En av de viktigaste platserna du kommer att se dessa enheter i funktion är att leta efter biomolekyler i medicinska miljöer. Biomolekylsensorer är i huvudsak specialiserade kemiska sensorer. Även om de upptäcker ämnen som hormoner, dessa kroppsliga ämnen är alla molekyler. Trots allt, dessa sensorer är tillverkade med många av samma vägledande principer som andra kemiska sensorer - selektivitet, känslighet och bärbarhet.
Några av de mest bärbara biomolekylsensorerna du kanske är medveten om är associerade med fertilitetsmätningar:graviditetstest och ägglossningstest. Båda dessa kemiska sensorer detekterar förekomsten av vissa hormoner i urinen. Vid graviditetstest, sensorn letar efter hormonet humant koriongonadotropin (hCG) i urinen. Pinnen som kvinnan kissar på har antikroppar som är belagda med en kemikalie som binder till hCG. Om biomolekylen är närvarande, testet läser positivt [källa:Parents Magazine]. Vanligtvis har dessa kemiska sensorer en kolorimetrisk komponent så att när analyten - i detta fall hCG - binder, det utlöser en färgförändring i sensorn, vilket gör avläsningen av resultaten ganska idiotsäker.
I klinisk miljö, två av de vanligaste metoderna för kemiskt baserad biomolekyldetektering är ELISA (enzymkopplad immunoabsorbentanalys) och Western blot. Beroende på storleken och typen av biomolekylen i fråga och den information de vill ha om molekylen, forskare och kliniker vänder sig ofta till en av dessa kemiska avkänningstekniker för att identifiera olika analytter i blandningar av biomolekyler [källor:ThermoFisher Scientific, Mahmood och Yang].
Ett glashuvud har en neural gränssnittssensor utvecklad av DARPA, som läser signaler från hjärnan och stimulerar neuroner att bekämpa minnesförlust. DARPA investerar i kemisk avkänningsforskning. Stacey Rupolo/Chicago Tribune/TNS via Getty Images En stor drivkraft för de framtida riktningarna för kemisk avkänning är militären. Finansieringsbyråer som U.S. Defense Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har stora drömmar om vad kemisk avkänning kan göra för sina väpnade styrkor. Tänk dig att kunna sätta en sensor på toppen av ett tält i en krigszon som kan upptäcka sprängämnen eller giftiga gaser 4 miles (6 kilometer) bort.
Eller föreställ dig en sensor som är så liten, den kan bäddas in i tyger. När sensorn upptäcker ett giftigt medel, tygets färg ändras, varna soldater om närvaron av kemiska toxiner i luften. Vad sägs om en sensor som kan varna soldater om deras uttorkningsnivåer? Konsekvenserna för sådan teknik skulle inte bara vara övertaget i strid, men också rädda potentiellt tusentals liv.
Kemikalier kan också placeras på flygplatser för att stoppa terrorism genom att upptäcka små koncentrationer av sprängämnen utan att vi behöver genomgå de omfattande krångelarna med säkerhetslinjerna. Faktiskt, forskare har redan presenterat en sensor som snabbt kan upptäcka droger och sprängämnen nära 30 fot (30 meter) bort med flygplatser i åtanke [källa:Engineering360]. Dessa sensorer kan installeras vid flygplatsentréer och andra platser med stora grupper av människor. Vissa typer av kemiska avkänningsanordningar kan till och med anslutas till mobiltelefoner för att skanna större områden när brottsbekämpande myndigheter rör sig [källa:Hsu].
Självklart, kemiska sensorer behöver inte bara användas för att avleda hemska aktiviteter. Att upptäcka föroreningar av metaller i vatten och eventuellt giftiga kemikalier i luften via sensorer i säkerhetsmärken är bara några av de sätt som kemiska avkänningsanordningar förändrar vår värld.
Nanopartikelsensorer sydd i tyg som kan berätta mer om mig själv eller luften runt mig? Det här är allvarligt med sci-fi. Förutom att det inte är det. Kanske är det militären som driver forskningen framåt på sådant här, men strax efter att soldater började använda den, det blir vanligt för oss andra. Ger bärbar teknik en helt ny innebörd.
