SENSÖRLER

HAZIRLAYAN: BURAK YILDIZ

SENSÖRLER

Sensörler fiziksel ortam ile endüstriyel amaçlı elektrik/elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar endüstriyel süreçte koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Günümüzde üretilmiş yüzlerce tip sensörden söz edilebilir. Mikro elektronik teknolojisindeki inanılmaz hızlı gelişmeler bu konuda her gün yeni buluş ya da yeni bir uygulama tipi geliştirilmesine olanak sağlamaktadır.

Sensörler algılama çeşitlerine göre; mekanik, termal, elektriksel, manyetik, optik ve kimyasal sensörler olarak farklı guruplarda incelenebilir.

KİMYASAL SENSÖRLER

VE

KULLANIM ALANLARI

KİMYASAL SENSÖRLER

Kimyasal sensörler, analiz edilen bileşene karşı özel hazırlanmış bir numunenin derişiminden yararlanarak elde edilen kimyasal bilgiyi analitiksel olarak yararlı bir sinyale dönüştüren sistemlerdir. Genel olarak bir sensörün çalısma mekanizması aşağıda görüldüğü gibi sema tize edilebilir.

Bir Sensörün Çalısma Mekanizması

KİMYASAL SENSÖRLERİN BAZI ÖZELLİKLERİ

1. Kimyasal sensörlerde; duyarlı tabaka analit ile kimyasal etkileşim içindedir bu sebepten dolayı analite maruz bırakıldıktan sonra, duyarlı tabakanın kimyasında bir değişiklik olmaktadır.

2. Minyatürize edilebilirler.3. Tek bir fiziksel yada kimyasal özelliğin ölçülmesi gerekli

değildir.4. Aynı kimyasal ölçümler için karşılık gelen eşdeğer

aletlerden tipik olarak daha az masraflıdır.

Her bir kimyasal sensör iki kısım içerir. Bunlar, fiziksel dönüştürücü ve kimyasal ara yüzey tabakasıdır. Kimyasal ara yüzeyde; analit bir kimyasal aktif yüzey ile kimyasal olarak etkileşir. Böylece kimyasal özelliklerde bir değişme meydana gelir. Bu değişiklikler, fiziksel dönüştürücü ile ölçülebilir bir duruma getirilir. Değişiklikler, elektriksel sinyal ile ilişkili olarak meydana gelir ve monitörden okunur.

İDEAL BİR SENSÖRÜN SAHİP OLMASI GEREKEN ÖZELLİKLER

1.Seçicilik2.Kalibrasyon Gereksinmesi3.Tekrarlanabilirlik4.Kararlılık 5.Geniş Ölçüm Aralığı6.Kullanım Ömrü7.Tayin Sınırı8.Hızlı Cevap Zamanı9.Hızlı Geriye Dönme Zamanı10.Basitlik ve Ucuzluk11.Küçültülebilirlik ve Sterilize Edilebilirlik12.Yüksek Duyarlılık

KİMYASAL SENSÖRLERİN SINIFLANDIRILMASI

Kimyasal sensörler dört farklı grupta incelenebilir;1.Elektrokimyasal Sensörler• Voltametrik sensörler

Oksijen sensörleriEnzim esaslı sensörler

• Amperometrik sensörler• Kondüktometrik sensörler• Potansiyometrik sensörler2.Gaz Sensörler• Potansiyometrik gaz sensör3.Gravimetrik Sensörler4.Biyosensörler• Elektrokimyasal esaslı biyosensörler

Amperometri esalı biyosensörlerPotansiyometri esaslı biyosensörlerYarı iletkenleri esas alan biyosensörler

• Optik esaslı Biyosensörler• Kalorimetri esaslı biyosensörler• Piezo Elektrik esaslı biyosensörler

ELEKTROKİMYASAL SENSÖRLER

Bilindiği üzere Elektrik ve kimyanın etkileşimi elektrokimyanın çatısı altında ele alınmaktadır. Elektrokimyasal sensörler, kimyasal sensörlerin en genis ve en eski grubudur. Birçoğu hala gelişme safhalarında oldukları halde bu grubun birçok üyesi ticari olgunluğa ulaşmıştır.

Elektrokimyasal sensörler ölçüm biçimlerine göre genel olarak dört grupta incelenebilir;

1.Potansiyometrik Sensörler (voltaj ölçümü)2.Amperometrik Sensörler (akım ölçümü)3.Kondüktometrik Sensörler (iletkenlik ölçümü)4.Voltametrik Sensörler ( akım ve voltaj ölçümü )

En eski elektrokimyasal sensörler, 1950 yıllarında oksijen ölçümleri için kullanılmıştır. Son yıllarda, sınırlı alan uygulamalarında yanabilen gazlar ve toksik gazların kontrollerinde daha seçici ve yeni elektrokimyasal sensörler geliştirilmiştir.

1980’ lerin ortalarında minyatürize elektrokimyasal sensörler, farklı toksik gazların tayini için kullanılmaya başlanmıştır. Elektrokimyasal sensörler farklı gazların tayini için kullanılmalarına rağmen, asıl fonksiyonları belirgin olarak farklıdır.

Elektrokimyasal sensörlerin gelismesindeki en önemli avantajlardan birisi; ilgilenilen analit için iyi bir seçicilik sergilemesidir. Bu husus hem potansiyometrik sensörler hemde amperometrik sensörler için basarı ile yapılmaktadır.

Her iki durumda da özel analitler için etkili sensörler geliştirilerek, ticari olarak üretilmiş ve çeşitli numunelere uygulanmıştır. Elektrokimyasal sensörlerin önemli avantajlarından biri de minyatürize edilebilmeleridir. Böylece ölçümler, her iki sensör için küçük hacimlerde yapılmaktadır. Bu durum, numunedeki seyrelmeyi ortadan kaldırmakta ve ölçümlerin ölü hacimde yapılabilmesi avantajını ortaya koyar.

1.VOLTAMETRİK SENSÖRLER:

Çok sayıda voltametrik sistem, sanayi ve araştırma açısından önemli özel türleri tayin etmek amacıyla ticari olarak geliştirilmiştir. Bu düzenekler, bazen elektrotlar veya detektörler olarak adlandırılırlar. Fakat gerçekte birer voltametrik hücre olup sensör olarak adlandırılmaları daha uygundur. Voltametrik sensörleri iki Gurupta incelenebilir;

• Voltametrik oksijen sensörü• Enzim esaslı voltametrik sensörler

VOLTAMETRİK OKSİJEN SENSÖRÜ:

Deniz suyu, kan, evsel atık ve toprak gibi çesitli sulu ortamlardaki çözünmüş oksijen tayini; sanayi, biyomedikal çevre araştırmaları ve klinik tıp açısından son derece önemlidir. Böyle ölçümleri yapmak için en uygun ve en yaygın yöntemlerden biri, 1956 ’lar da L.C.Clark Jr tarafından gelistirilmis olan Clark Oksijen Sensörünün kullanımıdır.

Clark Voltametrik Oksijen Sensörü

ENZİM ESASLI VOLTAMETRİK SENSÖRLER:

Çok sayıda enzim esaslı voltametrik sensör ticari olarak mevcuttur. Buna bir örnek klinik laboratuarlarda kan serumu numunelerinde glikozun rutin tayininde kullanılan glikoz sensörüdür. Bu düzenek, şekilde gösterilen oksijen sensörüne benzer yapıdadır. Ancak buradaki membran çok daha karmasık yapıda olup üç tane tabaka içerir. En dış tabaka glukozu geçirip protein ve diğer kan bileşenlerine geçirgen olmayan polikarbonat bir filmden oluşur. Ortadaki tabaka tutuklanmış bir enzim olup burada glikoz oksidazdır. En içteki tabaka ise, hidrojen peroksit gibi küçük molekülleri geçiren selüloz asetat bir membrandır.

2.AMPEROMETRİK SENSÖRLER:

Amperometrik gaz sensörler bazen elektrokimyasal gaz sensörler olarak da isimlendirilirler. Gerçek zaman ölçümlü, süreç kontrol ve güvenli uygulamalardır. Amperometrik gaz sensörler basit yapıda kullanıma dayanıklı, güvenilir ve çok pahalı değildir. Güç tüketimi düşüktür.

Kullanımı kanıtlanmıştır ve jeneratörde, oksitleyicide ölçülebilir gazlar için elektro aktiviteyi azaltmakta olan bir elektrottur. Amperometrik sensörün temeli, elektrot yüzeyinde bir yükseltgenme/indirgenmeden dolayı akımın ölçülmesine ve elektrokimyasal hücrede bir potansiyelin uygulanmasına dayanmaktadır.

Tipik bir Amperometrik sensör

3.KONDÜKTOMETRİK SENSÖRLER:

Kondüktometrik sensörler elektrolit çözeltilerin elektrik akımını iletmeleri üzerine kurulmuş metotlarla oluşturulan sensörlerdir. Kondüktometri iki elektrot arasındaki çözeltinin yük tasıma yeteneğini yansıtmaktadır.

Bu ölçümler ya bir doğru akım yoluyla ya da voltajla iletilebilir. Bu sensörlerin kullanımında sınırlama örneğin kendi iletkenliği ile yüklenmesidir. Bu yüzden kondüktometrik sensörlerin uygulama alanları gaz faz ya da iletken olmayan örneklerdir.

3.POTANSİYOMETRİK SENSÖRLER:

Akımın çok az geçtiği veya hiç geçmediği sistemlerde, indikatör elektrotun referans elektrota karsı gösterdiği, derişim değişimine bağlı olarak değişen potansiyelin ölçüldüğü tayin yöntemine potansiyometri denir.

Potansiyometrik ölçümler, akımın olmadığı şartlar altında veya ihmal edilebilir düzeyde iken bir hücrede potansiyel ölçümünü esas alır. Potansiyeldeki değişme, referans elektrot ile analit madde arasında ölçülen aktivite ile orantılıdır. Dikkat edilmelidir ki; numune potansiyometrik sensöre yavaşça difüzlenir ve herhangi bir değişime uğramadan ayrılır. Yani numunenin bozulması söz konusu değildir.

Potansiyometrik gaz sensörlerde, potansiyel değişimi sensör ile elektriksel olarak nötr olan gaz moleküllerinin etkilesimine dayanır. Numune bir gaz yada sıvı olabilir. Sensör içerisinde ara yüzeyde elektronlar yada iyonların ayrılması elektriksel olarak nötral gazların temel etkileşimine mekanizma olmalıdır.

Potasiyometrik Sensörlerin Avantajları:• Kimyasal faz materyalleri oldukça geniş bir alanda elde

edilebilir• Kolay ve direkt ölçümler yapılabilir• Basit donanımsal yapıdadırlar• Kolay uygulanabilme özellikleri vardır• Düşük maliyetlidirler• Bileşimleri hakkında geniş bilgi ağı vardır

Potansiyometrik Sensörlerin Dezavantajları:• Çoğu sensörün yetersiz seçiciliği (girisimlerin varlıgı)• Sensörlerin elde edilebilir miktarları analitin miktarından

azdır

GAZ SENSÖRLER

Gaz sensörler; havadaki toksik gazların tayininde yaygın olarak kullanılan basit ve pahalı olmayan cihazlardır. Bu yüzden son yıllarda gaz sensörlerle ilgili çalışmalar hız kazanmıştır. Sıvı elektrolit hücrelerde amperometrik ölçümler için farklı tip gaz sensörler geliştirilmiştir. En yaygın kullanılan gaz sensörler CO, CO2, SO2 ve NH3 gaz sensörleridir.

Gaz sensörler suda ve diğer çözücülerde çözünmüş gazların tayininde yaygın olarak kullanılmaktadır. Gaz sensörün seçiciliği sadece gaz membranın geçirgenliğine bağlıdır. Gaz geçirgen membran ince ve değiştirilebilir bir özelliğe sahiptir.Bu membran içteki çözelti ve analit çözelti arasında bir engel görevi görür.

Gaz sensörler sulu çözeltide çözünen gazların derişimlerine cevap verirler. Bu sensörler NH3, CO2 gibi istenilen gazı geçiren bir membran ile bir iyon seçici elektrottan olusur. Gaz, membran içinden geçtigi zaman çözeltinin ince tabakasındaki degisim elektrot tarafından hissedilir ve bu sayede ölçüm yapılır.

Gaz Sensörün Bilesenleri:

A. Gaz Geçirgen MembranB. ElektrotC. ElektrolitD. Filtre

POTANSİYOMETRİK GAZ SENSÖR: Potansiyometrik gaz sensörlerde potansiyel değişimi, nötr

gaz moleküllerinin sensörle elektriksel olarak etkileşimi sonucu elde edilir. Örnek, gaz ya da sıvı faz olabilir. Potansiyel fark yük ayrımını gösterir. Sensör içinde bir ara yüzeyde elektronların veya iyonların elektriksel olarak nötr gaz molekülleriyle etkileştiği bir mekanizma olmalıdır.

GRAVİMETRİK SENSÖRLER

Gravimetrik sensörler, sensör yüzeyindeki nanogram seviyelerinde kütle değişimini ölçebilen son derece hassas yüzey sensörleridir. Kütle duyarlı bu sensörlerin çalışma prensibinin temeli asimetrik kristallerin sahip oldukları “piezoelektirik etki” özelliğine dayanmaktadır.

PİEZOELEKTRİK ETKİ:

Piezoelektrik etki, bir elektrik potansiyelinin uygulanmasıyla asimetrik bir kristalin deformasyonudur ve bu özellik oldukça duyarlı kütle sensörlerinin yapılmasında kullanılır. Piezoelektrik etkiye sahip bir kristal mekanik olarak deforme olduğunda, yüzeyinde elektiriksel bir potansiyel oluşur. Bunun tersine kristalin yüzeyine potansiyel uygulandığı zaman kristal deforme olur. Bu özelliğe sahip bir kristal uygun bir elektrik devresine bağlanırsa kristalin kütlesine ve şekline bağlı olan sabit bir frekansta titreşim yapar.

BİYOSENSÖRLER

Genel anlamda biyosensörler, biyoloji, fizik, kimya, biyokimya, mühendislik gibi pek çok bilim alanının bilgi birikiminden multidisipliner bir anlayış çerçevesinde yararlanılarak ve biyolojik moleküllerin veya sistemlerin seçimlilik özellikleri ile modern elektronik tekniklerin işlem yeteneğinin birleştirilmesiyle geliştirilen biyoanalitik cihazlar olarak tanımlanabilirler.

Son yıllarda bilim ve teknolojideki hızlı gelişmeler biyosensör kavram ve tanımlarında da önemli genişlemelere yol açmıştır.  Canlı yaşamın önemli unsurlarından olan görme, işitme, koklama, tat alma, dokunma gibi algılama mekanizmaları doğal ve en mükemmel biyosensörik sistemler olarak düşünüldükleri için biyosensör çalışmalarına güzel örnekler oluşturmaktadırlar.

Günümüzde görme, işitme gibi yeteneklerini kaybetmiş kişilerin bu yeteneklerini tekrar yerine koyacak yapay sistemler üzerinde yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Tıp alanındaki bilim adamlarıyla da ortak çalışmayı gerektiren bu araştırmalar da biyosensör alanına dahil edilebilirler. Bununla birlikte, bugün biyosensörlerden bahsedilince ilk akla gelen daha genel ve yaygın kullanım imkanı bulmuş, analiz amacına yönelik biyoanalitik sistemler olmaktadır.

Genel kullanım alanları incelendiğinde biyosensörlerin tıbbi analizlerden çevresel analizlere, proses izlenmesinden ilaç analizlerine ve savunma faaliyetlerine kadar pek çok alanda uygulama bulduğu görülmektedir.

BİYOSENSÖRLERİN TEMEL BİLEŞENLERİ:

Biyosensörler, genel olarak analizlenecek madde ile seçimli bir şekilde etkileşime giren biyoaktif bir bileşenin, bu etkileşim sonucu ortaya çıkan sinyali ileten bir iletici sistemle birleştirilmesi ve bunların bir ölçüm sistemiyle kombinasyonundan oluşturulurlar.

Sistemin özelliğine bağlı olarak yükseltici, mikroişlemci, dijital görüntüleyici gibi kısımlar sistem içinde yer alabilirler.

ölçüm sistemiyle kombinasyonuyla oluşturulurlar.  

BİYOSENSÖRLERDE ANALİZLENEBİLECEK UNSURLAR

BİYOSENSÖRLERDE YARARLANILAN İLETİM VE ÖLÇÜM SİSTEMLERİ

Biyosensörlerde, biyoaktif bileşenin tayin edilecek madde ile etkileştiğinde oluşan sinyalin iletim ve ölçümünde, genel olarak, elektrokimyasal, optik, kalorimetrik ve piezoelektrik esaslı sistemler kullanılır.

Biyosensörler ölçüm sistemlerine göre dört ana gurupta toplanabilir;

1.Elektrokimyasal Esaslı BiyosensörlerAmperometri esalı biyosensörlerPotansiyometri esaslı biyosensörlerYarı iletkenleri esas alan biyosensörler

2.Optik Esaslı Biyosensörler 3.Kalorimetri Esaslı Biyosensörler 4.Piezo Elektrik Esaslı Biyosensörler

1.ELEKTROKİMYASAL ESASLI BİYOSENSÖRLER:

AMPEROMETRİ ESASLI BİYOSENSÖRLER:

Amperometri genel anlamda belli bir potansiyeldeki akım şiddetinin ölçümünü esas alır. Söz konusu akım yoğunluğu çalışma elektrodunda yükseltgenen yada indirgenen elektroaktif türlerin konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak tanımlanır. İkinci elektrot referans elektrot olarak iş görür. Kalibrasyondan sonra, akım yoğunluklarından ilgili türlerin konsantrasyonlarının belirlenmesinde yararlanılır.

İletici sistem olarak bir amperometrik sensörün kullanılması durumunda potansiyometrik sensörlerden en büyük fark, ürünlerden sinyal oluşturan türün elektrot yüzeyinde tüketilmesidir.

POTANSİYOMETRİ ESASLI BİYOSENSÖRLER:

Potansiyometri bilindiği gibi en genel anlamda bir çalışma ve referans elektrot arasındaki potansiyel farkının ölçümünü esas alır. Elektrot potansiyelinin belirlenmesi doğrudan analit konsantrasyonunu tanımlar. Potansiyometrik biyosensörlerde kullanılan temel sensörler pH yada tek değerlikli iyonlara duyarlı cam elektrotlar, anyon yada katyonlara duyarlı iyon seçimli elektrotlar ve karbondioksit yada amonyağa duyarlı elektrotlardır.

YARI İLETKENLERİ ESAS ALAN BİYOSENSÖRLER:

Temel sensör olarak metal oksit yarı iletken alan etki transistörlerini yada iyon duyarlı etki alan transistörlerini esas alan bir tür enzim sensörleridir

Metal oksit yarı iletken alan etki transistör’lerin, gazların ölçümüne uygun hale getirilmesiyle oluşan gaz duyar sensörlerde adsorblanan gaz moleküllerinin ayrılması ve oluşan yükün oksit tabakasına transferi temel ilkeyi oluşturur. Bu durum tabanın dielektrik sabitini değiştirerek ve drain akımda bir modifikasyona yol açarak ölçüme imkan verir.

2.OPTİK ESASLI BİYOSENSÖRLER:

Optik biyosensörler iletici sistem olarak optik lifler üzerine uygun bir yöntemle uygun bir biyomolekülün sabitlenerek hazırlanan ölçüm aygıtlarıdır.

Etkileşim sonucu meydana gelen kimyasal ya da fizikokimyasal bir değişimin ölçümünü esas alırlar. Sinyal, ışık yansıması, saçılımı yada yayımı sonucu meydana gelir. Örneğin optik lifin üzerine enzim sabitlenmesiyle hazırlanan optik esaslı enzim sensörleri temelde absorbsiyon, fluoresans, biyolüminesans gibi temel ilkeler çerçevesinde işlev görürler.

3.KALORİMETRİ ESASLI BİYOSENSÖRLER:

Kalorimetri esaslı enzim sensörleri, termal enzim sensörleri, enzim termistörleri yada entalpimetrik enzim sensörleri gibi değişik isimlerle tanımlanırlar. Temel ilkeleri bir enzimatik reaksiyondaki entalpi değişiminden yararlanarak substrat derişimini belirlemekten oluşur. Genel olarak enzimatik reaksiyonların ekzotermik doğasından yararlanılır. Enzimatik reaksiyon sonucu meydana gelen sıcaklık değişimi ile substrat derişimi arasındaki doğrusal ilişkiden sonuca ulaşılır.

4.PİEZOELEKTRİK ESASLI BİYOSENSÖRLER:

Piezoelektrik sensörler en genel anlamda karakteristik rezonans frekansındaki farklanmayı belirleyerek bir piezoelektrik kristal yüzeyinde toplanan örneğin kütlesinin ölçülmesi esasına göre çalışan kütle ölçüm aygıtlarıdır. Sensör seçimliliği, kristal yüzeyindeki madde ile spesifik bir etkileşime sahip analitin birikimiyle ilişkilidir. Sensör yüzeyinde bir madde adsorblandığı veya biriktiği zaman piezoelektrik kristalin rezonans frekansındaki farklanmanın ölçülmesiyle sonuca ulaşılır.

Bir piezoelektrik sensörün üzerinde enzim sabitlenmesiyle gerçekleştirilen piezoelektrik enzim sensörlerinde, enzim moleküllerine substratların bağlanmasından dolayı meydana gelen kütle değişimlerinin, piezoelektrik kuartz diskin titreşiminde sebep oldukları farklanmadan yararlanılarak madde miktarına ulaşılır.

KİMYASAL SENSÖRLERİN KULLANIM ALANLARI

Elektrokimyasal sensörler ile; çeşitli gazların ve sıvı çözeltilerin analizi yapılabilmektedir. AAS, Kromatografi, spektroskopi gibi analiz sistemlerin ekspert gerektirmesi ve pahalı olmaları, elektrokimyasal sensor sistemlerinin ekonomik olması ve birçok yeni türün analizi için ümit vermesi bu sensor sistemlerine olan ilgiyi artırarak devam ettirmektedir.

Gaz sensörleri; Yiyecek analizlerinde,Kimyasal isletmeleride, Kontrol sistemlerinde ,Sağlık alanlarında

Havalandırma kontrol sistemlerinde sıklıkla kullanılmaktadırlar.

Biyosensörlerin ise; klinik, teshis, tıbbi uygulamalar, süreç denetleme, biyoreaktörler, kalite kontrol, tarım ve veterinerlik, bakteriyel ve viral teshiş, ilaç üretimi, endüstriyel atık su denetimi, madencilik, askeri savunma sanayi gibi alanlarda yaygın olarak kullanımı söz konusudur.