kimyasal sensörler ve kullanım alanları

Click here to load reader

Post on 03-Jul-2015

2.293 views

Category:

Documents

65 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

SENSRLERHAZIRLAYAN: BURAK YILDIZSENSRLERSensrler fiziksel ortam ile endstriyel amali elektrik/elektronik cihazlari birbirine baglayan bir kpr grevi grrler. Bu cihazlar endstriyel srete koruma ve grntleme gibi ok genis bir kullanim alanina sahiptirler. Gnmzde retilmis yzlerce tip sensrden sz edilebilir. Mikro elektronik teknolojisindeki inanilmaz hizli gelismeler bu konuda her gn yeni bulus ya da yeni bir uygulama tipi gelistirilmesine olanak saglamaktadir.Sensrler algilama esitlerine gre; mekanik, termal, elektriksel, manyetik, optik ve kimyasal sensrler olarak farkli guruplarda incelenebilir. KMYASAL SENSRLERVE KULLANIM ALANLARIMYASAL SENSRLERimyasal sensrler, analiz edilen bilesene karsi zel hazirlanmis bir numunenin derisiminden yararlanarak elde edilen kimyasal bilgiyi analitiksel olarak yararli bir sinyale dnstren sistemlerdir. Genel olarak bir sensrn alisma mekanizmasi asagida grldg gibi sema tize edilebilir.Bir Sensrn alisma MekanizmasiMYASAL SENSRLERN BAZI ZELLLER1. Kimyasal sensrlerde; duyarl tabaka analit ile kimyasal etkilesim icindedir bu sebepten dolay analite maruz birakildiktan sonra, duyarli tabakanin kimyasinda bir degisiklik olmaktadir.2. Minyatrize edilebilirler.3. Tek bir fiziksel yada kimyasal zelligin llmesi gerekli degildir.4. Ayni kimyasal lmler iin karsilik gelen esdeger aletlerden tipik olarak daha az masraflidir.Her bir kimyasal sensr iki kisim ierir. Bunlar, fiziksel dnstrc ve kimyasal ara yzey tabakasidir. imyasal ara yzeyde; analit bir kimyasal aktif yzey ile kimyasal olarak etkilesir. Bylece kimyasal zelliklerde bir degisme meydana gelir. Bu degisiklikler, fiziksel dnstrc ile llebilir bir duruma getirilir. Degisiklikler, elektriksel sinyal ile iliskili olarak meydana gelir ve monitrden okunur.DEAL BR SENSRN SAH! OLMASI GEREEN ZELLLER1.Seicilik2.alibrasyon Gereksinmesi3.Tekrarlanabilirlik.Kararllk 5.Genis lcm Aralg6.Kullanm mr7.Tayin Snr8.Hzl Cevap Zaman9.Hzl Geriye Dnme Zaman10.Basitlik ve Ucuzluk11.Kcltlebilirlik ve Sterilize Edilebilirlik12.Yksek DuyarllkMYASAL SENSRLERN SINIFLANDIRILMASIimyasal sensrler drt farkli grupta incelenebilir;1.Elektrokimyasal Sensrler- Voltametrik sensrlerOksijen sensrleriEnzim esasli sensrler- Amperometrik sensrler- ondktometrik sensrler- !otansiyometrik sensrler2.Gaz Sensrler- !otansiyometrik gaz sensr3.Gravimetrik Sensrler4.Biyosensrler- Elektrokimyasal esasli biyosensrlerAmperometri esali biyosensrler!otansiyometri esasli biyosensrlerYari iletkenleri esas alan biyosensrler- Optik esasli Biyosensrler- alorimetri esasli biyosensrler- !iezo Elektrik esasli biyosensrlerELETROMYASAL SENSRLERBilindigi zere Elektrik ve kimyanin etkilesimi elektrokimyanin atisi altinda ele alinmaktadir.Elektrokimyasal sensrler, kimyasal sensrlerin en genis ve en eski grubudur. Birogu hala gelisme safhalarinda olduklari halde bu grubun birok yesi ticari olgunluga ulasmistir.Elektrokimyasal sensrler lm biimlerine gre genel olarak drt grupta incelenebilir;1.!otansiyometrik Sensrler (voltaj lm)2.Amperometrik Sensrler (akim lm)3.ondktometrik Sensrler (iletkenlik lm)4.Voltametrik Sensrler ( akim ve voltaj lm )En eski elektrokimyasal sensrler, 1950 yillarinda oksijen lmleri iin kullanilmistir. Son yillarda, sinirli alan uygulamalarinda yanabilen gazlar ve toksik gazlarin kontrollerinde daha seici ve yeni elektrokimyasal sensrler gelistirilmistir.1980' lerin ortalarinda minyatrize elektrokimyasal sensrler, farkli toksik gazlarin tayini iin kullanilmaya baslanmistir. Elektrokimyasal sensrler farkli gazlarin tayini iin kullanilmalarina ragmen, asil fonksiyonlari belirgin olarak farklidir.Elektrokimyasal sensrlerin gelismesindeki en nemli avantajlardan birisi; ilgilenilen analit iin iyi bir seicilik sergilemesidir. Bu husus hem potansiyometrik sensrler hemde amperometrik sensrler iin basari ile yapilmaktadir.Her iki durumda da zel analitler iin etkili sensrler gelistirilerek, ticari olarak retilmis ve esitli numunelere uygulanmistir. Elektrokimyasal sensrlerin nemli avantajlarindan biri de minyatrize edilebilmeleridir. Bylece lmler, her iki sensr iin kk hacimlerde yapilmaktadir. Bu durum, numunedeki seyrelmeyi ortadan kaldirmakta ve lmlerin l hacimde yapilabilmesi avantajini ortaya koyar.1.VOLTAMETR SENSRLER:ok sayida voltametrik sistem, sanayi ve arastirma aisindan nemli zel trleri tayin etmek amaciyla ticari olarak gelistirilmistir. Bu dzenekler, bazen elektrotlar veya detektrler olarak adlandirilirlar. Fakat gerekte birer voltametrik hcre olup sensr olarak adlandirilmalari daha uygundur. Voltametrik sensrleri iki Gurupta incelenebilir;- Voltametrik oksijen sensr- Enzim esasli voltametrik sensrlerVOLTAMETR OSEN SENSR:Deniz suyu, kan, evsel atik ve toprak gibi esitli sulu ortamlardaki znms oksijen tayini; sanayi, biyomedikal evre arastirmalari ve klinik tip aisindan son derece nemlidir. Byle lmleri yapmak iin en uygun ve en yaygin yntemlerden biri, 1956 'lar da L.C.Clark r tarafindan gelistirilmis olan Clark Oksijen Sensrnn kullanimidir.Clark Voltametrik Oksijen SensrENZM ESASLI VOLTAMETR SENSRLER:ok sayida enzim esasli voltametrik sensr ticari olarak mevcuttur. Buna bir rnek klinik laboratuarlarda kan serumu numunelerinde glikozun rutin tayininde kullanilan glikoz sensrdr. Bu dzenek, sekilde gsterilen oksijen sensrne benzer yapidadir. Ancak buradaki membran ok daha karmasik yapida olup tane tabaka ierir. En dis tabaka glukozu geirip protein ve diger kan bilesenlerine geirgen olmayan polikarbonat bir filmden olusur. Ortadaki tabaka tutuklanmis bir enzim olup burada glikoz oksidazdir. En iteki tabaka ise, hidrojen peroksit gibi kk moleklleri geiren selloz asetat bir membrandir.2.AM!EROMETR SENSRLER:Amperometrik gaz sensrler bazen elektrokimyasal gaz sensrler olarak da isimlendirilirler. Gerek zaman lml, sre kontrol ve gvenli uygulamalardir. Amperometrik gaz sensrler basit yapida kullanima dayanikli, gvenilir ve ok pahali degildir. G tketimi dsktr.ullanimi kanitlanmistir ve jeneratrde, oksitleyicide llebilir gazlar iin elektro aktiviteyi azaltmakta olan bir elektrottur. Amperometrik sensrn temeli, elektrot yzeyinde bir ykseltgenme/indirgenmeden dolayi akimin llmesine ve elektrokimyasal hcrede bir potansiyelin uygulanmasina dayanmaktadir.Tipik bir Amperometrik sensr3.ONDTOMETR SENSRLER:ondktometrik sensrler elektrolit zeltilerin elektrik akimini iletmeleri zerine kurulmus metotlarla olusturulan sensrlerdir. ondktometri iki elektrot arasindaki zeltinin yk tasima yetenegini yansitmaktadir.Bu lmler ya bir dogru akim yoluyla ya da voltajla iletilebilir. Bu sensrlerin kullaniminda sinirlama rnegin kendi iletkenligi ile yklenmesidir. Bu yzden kondktometrik sensrlerin uygulama alanlari gaz faz ya da iletken olmayan rneklerdir.3.!OTANSYOMETR SENSRLER:Akimin ok az getigi veya hi gemedigi sistemlerde, indikatr elektrotun referans elektrota karsi gsterdigi, derisim degisimine bagli olarak degisen potansiyelin lldg tayin yntemine potansiyometri denir. !otansiyometrik lmler, akimin olmadigi sartlar altinda veya ihmal edilebilir dzeyde iken bir hcrede potansiyel lmn esas alir. !otansiyeldeki degisme, referans elektrot ile analit madde arasinda llen aktivite ile orantilidir. Dikkat edilmelidir ki; numune potansiyometrik sensre yavasa difzlenir ve herhangi bir degisime ugramadan ayrilir. Yani numunenin bozulmasi sz konusu degildir.!otansiyometrik gaz sensrlerde, potansiyel degisimi sensr ile elektriksel olarak ntr olan gaz molekllerinin etkilesimine dayanir. Numune bir gaz yada sivi olabilir. Sensr ierisinde ara yzeyde elektronlar yada iyonlarin ayrilmasi elektriksel olarak ntral gazlarin temel etkilesimine mekanizma olmalidir.!otasiyometrik Sensrlerin Avantajlari:- imyasal faz materyalleri olduka genis bir alanda elde edilebilir- olay ve direkt lmler yapilabilir- Basit donanimsal yapidadirlar- olay uygulanabilme zellikleri vardir- Dsk maliyetlidirler- Bilesimleri hakkinda genis bilgi agi vardir!otansiyometrik Sensrlerin Dezavantajlari:- ogu sensrn yetersiz seiciligi (girisimlerin varligi)- Sensrlerin elde edilebilir miktarlari analitin miktarindan azdirGAZ SENSRLERGaz sensrler; havadaki toksik gazlarin tayininde yaygin olarak kullanilan basit ve pahali olmayan cihazlardir. Bu yzden son yillarda gaz sensrlerle ilgili alismalar hiz kazanmistir. Sivi elektrolit hcrelerde amperometrik lmler iin farkli tip gaz sensrler gelistirilmistir. En yaygin kullanilan gaz sensrler CO, CO2, SO2 ve NH3 gaz sensrleridir.Gaz sensrler suda ve diger zclerde znms gazlarin tayininde yaygin olarak kullanilmaktadir. Gaz sensrn seiciligi sadece gaz membranin geirgenligine baglidir. Gaz geirgen membran ince ve degistirilebilir bir zellige sahiptir.Bu membran iteki zelti ve analit zelti arasinda bir engel grevi grr.Gaz sensrler sulu zeltide znen gazlarin derisimlerine cevap verirler. Bu sensrler NH3, CO2 gibi istenilen gazi geiren bir membran ile bir iyon seici elektrottan olusur. Gaz, membran iinden getigi zaman zeltinin ince tabakasindaki degisim elektrot tarafindan hissedilir ve bu sayede lm yapilir.Gaz Sensrn Bilesenleri:A. Gaz Geirgen MembranB. ElektrotC. ElektrolitD. Filtre!OTANSYOMETR GAZ SENSR:!otansiyometrik gaz sensrlerde potansiyel degisimi, ntr gaz molekllerinin sensrle elektriksel olarak etkilesimi sonucu elde edilir. rnek, gaz ya da sivi faz olabilir. !otansiyel fark yk ayrimini gsterir. Sensr iinde bir ara yzeyde elektronlarin veya iyonlarin elektriksel olarak ntr gaz moleklleriyle etkilestigi bir mekanizma olmalidir.GRAVMETR SENSRLERGravimetrik sensrler, sensr yzeyindeki nanogram seviyelerinde ktle degisimini lebilen son derece hassas yzey sensrleridir. tle duyarli bu sensrlerin alisma prensibinin temeli asimetrik kristallerin sahip olduklari "piezoelektirik etki" zelligine dayanmaktadir.!EZOELETR ET:!iezoelektrik etki, bir elektrik potansiyelinin uygulanmasiyla asimetrik bir kristalin deformasyonudur ve bu zellik olduka duyarli ktle sensrlerinin yapilmasinda kullanilir. !iezoelektrik etkiye sahip bir kristal mekanik olarak deforme oldugunda, yzeyinde elektiriksel bir potansiyel olusur. Bunun tersine kristalin yzeyine potansiyel uygulandigi zaman kristal deforme olur. Bu zellige sahip bir kristal uygun bir elektrik devresine baglanirsa kristalin ktlesine ve sekline bagli olan sabit bir frekansta titresim yapar.BYOSENSRLERGenel anlamda biyosensrler, biyoloji, fizik, kimya, biyokimya, mhendislik gibi pek ok bilim alaninin bilgi birikiminden multidisipliner bir anlayis erevesinde yararlanilarak ve biyolojik molekllerin veya sistemlerin seimlilik zellikleri ile modern elektronik tekniklerin islem yeteneginin birlestirilmesiyle gelistirilen biyoanalitik cihazlar olarak tanimlanabilirler.Son yillarda bilim ve teknolojideki hizli gelismeler biyosensr kavram ve tanimlarinda da nemli genislemelere yol amistir. Canli yasamin nemli unsurlarindan olan grme, isitme, koklama, tat alma, dokunma gibi algilama mekanizmalari dogal ve en mkemmel biyosensrik sistemler olarak dsnldkleri iin biyosensr alismalarina gzel rnekler olusturmaktadirlar.Gnmzde grme, isitme gibi yeteneklerini kaybetmis kisilerin bu yeteneklerini tekrar yerine koyacak yapay sistemler zerinde yogun arastirmalar yapilmaktadir. Tip alanindaki bilim adamlariyla da ortak alismayi gerektiren bu arastirmalar da biyosensr alanina dahil edilebilirler. Bununla birlikte, bugn biyosensrlerden bahsedilince ilk akla gelen daha genel ve yaygin kullanim imkani bulmus, analiz amacina ynelik biyoanalitik sistemler olmaktadir.Genel kullanim alanlari incelendiginde biyosensrlerin tibbi analizlerden evresel analizlere, proses izlenmesinden ila analizlerine ve savunma faaliyetlerine kadar pek ok alanda uygulama buldugu grlmektedir.BYOSENSRLERN TEMEL BLESENLER:Biyosensrler, genel olarak analizlenecek madde ile seimli bir sekilde etkilesime giren biyoaktif bir bilesenin, bu etkilesim sonucu ortaya ikan sinyali ileten bir iletici sistemle birlestirilmesi ve bunlarin bir lm sistemiyle kombinasyonundan olusturulurlar.Sistemin zelligine bagli olarak ykseltici, mikroislemci, dijital grntleyici gibi kisimlar sistem iinde yer alabilirler.lm sistemiyle kombinasyonuyla olusturulurlar. BYOSENSRLERDE ANALZLENEBLECE UNSURLARBYOSENSRLERDE YARARLANILAN LETM VE LM SSTEMLERBiyosensrlerde, biyoaktif bilesenin tayin edilecek madde ile etkilestiginde olusan sinyalin iletim ve lmnde, genel olarak, elektrokimyasal, optik, kalorimetrik ve piezoelektrik esasli sistemler kullanilir.Biyosensrler lm sistemlerine gre drt ana gurupta toplanabilir;1.Elektrokimyasal Esasli BiyosensrlerAmperometri esali biyosensrler!otansiyometri esasli biyosensrlerYari iletkenleri esas alan biyosensrler2.Optik Esasli Biyosensrler3.alorimetri Esasli Biyosensrler4.!iezo Elektrik Esasli Biyosensrler1.ELETROMYASAL ESASLI BYOSENSRLER:AM!EROMETR ESASLI BYOSENSRLER:Amperometri genel anlamda belli bir potansiyeldeki akim siddetinin lmn esas alir. Sz konusu akim yogunlugu alisma elektrodunda ykseltgenen yada indirgenen elektroaktif trlerin konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak tanimlanir. kinci elektrot referans elektrot olarak is grr. alibrasyondan sonra, akim yogunluklarindan ilgili trlerin konsantrasyonlarinin belirlenmesinde yararlanilir.letici sistem olarak bir amperometrik sensrn kullanilmasi durumunda potansiyometrik sensrlerden en byk fark, rnlerden sinyal olusturan trn elektrot yzeyinde tketilmesidir.!OTANSYOMETR ESASLI BYOSENSRLER:!otansiyometri bilindigi gibi en genel anlamda bir alisma ve referans elektrot arasindaki potansiyel farkinin lmn esas alir. Elektrot potansiyelinin belirlenmesi dogrudan analit konsantrasyonunu tanimlar. !otansiyometrikbiyosensrlerde kullanilan temel sensrler pH yada tek degerlikli iyonlara duyarli cam elektrotlar, anyon yada katyonlara duyarli iyon seimli elektrotlar ve karbondioksit yada amonyaga duyarli elektrotlardir.YARI LETENLER ESAS ALAN BYOSENSRLER:Temel sensr olarak metal oksit yari iletken alan etki transistrlerini yada iyon duyarli etki alan transistrlerini esas alan bir tr enzim sensrleridirMetal oksit yari iletken alan etki transistr'lerin, gazlarin lmne uygun hale getirilmesiyle olusan gaz duyar sensrlerde adsorblanan gaz molekllerinin ayrilmasi ve olusan ykn oksit tabakasina transferi temel ilkeyi olusturur. Bu durum tabanin dielektrik sabitini degistirerek ve drain akimda bir modifikasyona yol aarak lme imkan verir.2.O!T ESASLI BYOSENSRLER:Optik biyosensrler iletici sistem olarak optik lifler zerine uygun bir yntemle uygun bir biyomolekln sabitlenerek hazirlanan lm aygitlaridir.Etkilesim sonucu meydana gelen kimyasal ya da fizikokimyasal bir degisimin lmn esas alirlar. Sinyal, isik yansimasi, sailimi yada yayimi sonucu meydana gelir. rnegin optik lifin zerine enzim sabitlenmesiyle hazirlanan optik esasli enzim sensrleri temelde absorbsiyon, fluoresans, biyolminesans gibi temel ilkeler erevesinde islev grrler.3.ALORMETR ESASLI BYOSENSRLER:alorimetri esasli enzim sensrleri, termal enzim sensrleri, enzim termistrleri yada entalpimetrik enzim sensrleri gibi degisik isimlerle tanimlanirlar. Temel ilkeleri bir enzimatik reaksiyondaki entalpi degisiminden yararlanarak substrat derisimini belirlemekten olusur. Genel olarak enzimatik reaksiyonlarin ekzotermik dogasindan yararlanilir. Enzimatik reaksiyon sonucu meydana gelen sicaklik degisimi ile substrat derisimi arasindaki dogrusal iliskiden sonuca ulasilir.4.!EZOELETR ESASLI BYOSENSRLER!iezoelektrik sensrler en genel anlamda karakteristik rezonans frekansindaki farklanmayi belirleyerek bir piezoelektrik kristal yzeyinde toplanan rnegin ktlesinin llmesi esasina gre alisan ktle lm aygitlaridir. Sensr seimliligi, kristal yzeyindeki madde ile spesifik bir etkilesime sahip analitin birikimiyle iliskilidir. Sensr yzeyinde bir madde adsorblandigi veya biriktigi zaman piezoelektrik kristalin rezonans frekansindaki farklanmanin llmesiyle sonuca ulasilir.Bir piezoelektrik sensrn zerinde enzim sabitlenmesiyle gereklestirilen piezoelektrik enzim sensrlerinde, enzim molekllerine substratlarin baglanmasindan dolayi meydana gelen ktle degisimlerinin, piezoelektrik kuartz diskin titresiminde sebep olduklari farklanmadan yararlanilarak madde miktarina ulasilir.MYASAL SENSRLERN ULLANIM ALANLARIElektrokimyasal sensrler ile; cesitli gazlarn ve sv czeltilerin analizi yaplabilmektedir. AAS, romatografi, spektroskopi gibi analiz sistemlerin ekspert gerektirmesi ve pahali olmalari, elektrokimyasal sensor sistemlerinin ekonomik olmasi ve birok yeni trn analizi iin mit vermesi bu sensor sistemlerine olan ilgiyi artirarak devam ettirmektedirGaz sensrleri; Yiyecek analizlerinde.Kimyasal isletmeleride. Kontrol sistemlerinde .Saglk alanlarndaHavalandrma kontrol sistemlerinde sklkla kullanlmaktadrlar.Biyosensrlerin ise; klinik, teshis, tibbi uygulamalar, sre denetleme, biyoreaktrler, kalite kontrol, tarim ve veterinerlik, bakteriyel ve viral teshis, ila retimi, endstriyel atik su denetimi, madencilik, askeri savunma sanayi gibi alanlarda yaygin olarak kullanimi sz konusudur.