เซ็นเซอร์เคมีในอุดมคติ  คืออุปกรณ์พกพา ราคาไม่แพง และทำงานได้อย่างแม่นยำ ซึ่งทำปฏิกิริยากับสารวิเคราะห์เฉพาะในสารตัวกลางใดๆ ที่ต้องการด้วยการเลือกสรรที่เหมาะสมและทันที เพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่วัดได้ ณ ความเข้มข้นของสารวิเคราะห์ที่ต้องการ โดยทั่วไป เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ (หรือ) เครื่องมือที่ทำหน้าที่กำหนดความเข้มข้น ปริมาณสารวิเคราะห์ที่ตรวจจับได้ หรือปริมาณสารวิเคราะห์ ความซับซ้อนในการใช้งานของเซ็นเซอร์เคมีขึ้นอยู่กับความซับซ้อนทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์เหล่านี้ และลักษณะเฉพาะของสารเคมีที่จะวิเคราะห์ ปัจจัยด้านการเลือกสรรและความไวของการตรวจจับสารเคมีอาจได้รับผลกระทบจากมิติ เฟส และเวลาของการวิเคราะห์ที่ต้องการ สารวิเคราะห์อาจมีอยู่ในสถานะของเหลวหรือของแข็งในสเกลมิติต่างๆ ตั้งแต่ปริมาตรรวม (ลิตร) ไปจนถึงพิโคลิตร บทความนี้ให้ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับ เซ็นเซอร์เคมีการทำงาน และการประยุกต์ใช้งาน

เซ็นเซอร์เคมีคืออะไร?

เซ็นเซอร์ที่ใช้วัดและตรวจจับปริมาณสารเคมีภายในสารที่วิเคราะห์ (องค์ประกอบ การมีอยู่ของธาตุ (หรือ) ไอออน กิจกรรมทางเคมี ความเข้มข้น) เพื่อแปลงสารให้เป็นข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ เรียกว่าเซ็นเซอร์เคมี เซ็นเซอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้งานในหลากหลายรูปแบบ ซึ่งรวมถึงระบบตรวจจับภายในบ้าน การแพทย์ นาโนเทคโนโลยี และยานยนต์

โครงสร้างเซนเซอร์เคมี

โครงสร้างเซ็นเซอร์เคมีแสดงไว้ด้านล่าง เซ็นเซอร์นี้ประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญสองส่วน ได้แก่ ตัวรับหรือวัสดุตรวจจับ และตัวแปลงสัญญาณ วัสดุตรวจจับจะทำปฏิกิริยากับสารวิเคราะห์เป้าหมายในรูปแบบที่แตกต่างกันไปตามประเภทของเซ็นเซอร์ ผลลัพธ์ของปฏิกิริยานี้คือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุ เช่น สภาพนำไฟฟ้าและมวล

ส่วนประกอบถัดไปของเซ็นเซอร์นี้คือ ทรานสดิวเซอร์ซึ่งทำหน้าที่รับข้อมูลทางเคมีของปฏิกิริยาระหว่างตัวรับและสารวิเคราะห์ แล้วแปลงเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ หลังจากนั้นข้อมูลนี้จะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์ (หรือ) ส่วนประกอบเชิงกล

เซ็นเซอร์เคมีทำงานบนหลักการของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเพื่อแปลงองค์ประกอบและความเข้มข้นของสารประกอบเคมีอินทรีย์และอนินทรีย์ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า

วงจรเซ็นเซอร์เคมีและการทำงาน

วงจรนี้อธิบายวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ เซ็นเซอร์นี้มีอิเล็กโทรดสามขั้วที่จุ่มอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ของเหลว อิเล็กโทรดทั้งสามนี้ส่วนใหญ่เป็นอิเล็กโทรดทำงาน อิเล็กโทรดนับ และอิเล็กโทรดอ้างอิง แต่อิเล็กโทรดที่สำคัญที่สุดคืออิเล็กโทรดทำงาน อิเล็กโทรดนี้ทำจากแพลตตินัม ซึ่งเป็นโลหะเร่งปฏิกิริยากับคาร์บอนมอนอกไซด์ โดยมีเมมเบรนที่ซึมผ่านได้แต่ไม่ชอบน้ำ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์จะแพร่กระจายผ่านเมมเบรนที่มีรูพรุนและถูกออกซิไดซ์ทางเคมีไฟฟ้า

อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับการไหลของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีจากอิเล็กโทรดจะสร้างสัญญาณเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ อิเล็กโทรดอ้างอิงให้ศักย์ไฟฟ้าเคมีที่เสถียรภายในอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดนี้ได้รับการปกป้องจากการสัมผัสกับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ดังนั้น ศักย์ทางเทอร์โมไดนามิกของอิเล็กโทรดจึงใกล้เคียงกันและคงที่ นอกจากนี้ ไม่อนุญาตให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอิเล็กโทรดอ้างอิง มีอิเล็กโทรดตัวนับเพื่อให้วงจรเซลล์ไฟฟ้าเคมีสมบูรณ์

อิเล็กโทรดนี้ทำงานเป็นเซลล์ครึ่งหลังเท่านั้น และปล่อยให้อิเล็กตรอนเข้าหรือออกจากอิเล็กโทรไลต์ วงจรด้านล่างควบคุมศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดทำงานและเปลี่ยนกระแสสัญญาณให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่าโพเทนชิโอสแตต กระแสจากอิเล็กโทรดทำงาน (WE) จะถูกเปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้าผ่านออปแอมป์ U2 ดังนั้นวงจรนี้จึงรักษาแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดทำงานไว้ที่ศักย์ไบอัส (Vbias) ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดอ้างอิง (RE) จะถูกเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคงที่ (Vbias) ออปแอมป์ U1 ในวงจรจะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ CE (อิเล็กโทรดตัวนับ) ซึ่งเพียงพอที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าที่เทียบเท่าและกลับทิศทางกับกระแสของอิเล็กโทรดทำงาน พร้อมกันนี้ยังสามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ระหว่างอิเล็กโทรดทำงานและอิเล็กโทรดอ้างอิงได้

เซ็นเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ยังติดตั้งผ่านตัวกรองแบบเลือกทางเคมี ซึ่งกำจัดก๊าซที่อาจรบกวนก่อนที่จะมาถึงอิเล็กโทรดทำงาน หากตัวกรองแบบเลือกทางเคมีทำงานได้อย่างถูกต้อง เซ็นเซอร์เคมีจะมีการตอบสนองต่อก๊าซรบกวนน้อยลง เทคโนโลยีที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อให้เซ็นเซอร์ทำปฏิกิริยากับก๊าซต่างๆ ได้ ดังนั้น จึงสามารถทำได้โดยใช้อิเล็กโทรดทำงานที่แตกต่างกัน ตัวกรองแบบเลือกทางเคมีจะปรับศักย์ไบแอส

ประเภทของเซนเซอร์เคมี

มีเซนเซอร์เคมีหลายประเภทซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

เครื่องวัดแอลกอฮอล์

เครื่องวัดแอลกอฮอล์ในลมหายใจเป็นเซ็นเซอร์เคมีที่ใช้ประเมินปริมาณแอลกอฮอล์ในเลือด (BAC) จากตัวอย่างลมหายใจ เมื่อใดก็ตามที่ผู้คนดื่มแอลกอฮอล์ ผู้คนจะหายใจเอาโมเลกุลแอลกอฮอล์ออกมาในปริมาณหนึ่ง ซึ่งแปรผันตรงกับปริมาณที่ดื่ม ดังนั้น เซ็นเซอร์นี้จึงได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อวัดปริมาณแอลกอฮอล์ในเลือด (BAC) ของบุคคล เพื่อตัดสินใจว่าพวกเขากำลังขับขี่ยานพาหนะอย่างปลอดภัยหรือไม่ เมื่อโมเลกุลของแอลกอฮอล์ทำปฏิกิริยากับตัวรับ พวกเขาจะพบกับสารเคมีอีกชนิดหนึ่งที่อยู่ในตัวรับ เช่น กรดซัลฟิวริก ซิลเวอร์ไนเตรต น้ำ และโพแทสเซียมไดโครเมต เมื่อตรวจพบความแตกต่างทางเคมีระหว่างห้องทั้งสอง ก็จะสามารถสร้างและส่งสัญญาณไฟฟ้าผ่านเข็มหรือหน้าจอได้

เซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์

เซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ หรือที่รู้จักกันในชื่อ เซ็นเซอร์ CO2 ซึ่งใช้สำหรับวัดก๊าซ CO2 หลักการทั่วไปของเซ็นเซอร์นี้คือเซ็นเซอร์ก๊าซอินฟราเรดและเซ็นเซอร์ก๊าซเคมี ดังนั้น การวัดก๊าซ CO2 จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสังเกตคุณภาพอากาศภายในอาคาร การทำงานของปอดในรูปแบบอุปกรณ์แคปโนกราฟ และในพื้นที่อุตสาหกรรมต่างๆ

เครื่องตรวจจับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์

เครื่องตรวจจับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตรวจจับก๊าซ CO เพื่อป้องกันการเป็นพิษจากก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส ซึ่งเกิดจากการจุดระเบิดบางส่วนของวัสดุที่มีคาร์บอน ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในระดับสูงอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์อย่างมาก ขึ้นอยู่กับปริมาณและระยะเวลาที่สัมผัส เครื่องตรวจจับเหล่านี้ออกแบบมาเพื่อวัดระดับ CO ในที่สุดและส่งสัญญาณเตือนก่อนที่ระดับ CO ที่เป็นอันตรายจะสะสมในบริเวณโดยรอบ ซึ่งเป็นการเตือนให้ผู้คนเตรียมพร้อมที่จะทำความสะอาดพื้นที่หรือออกจากพื้นที่อย่างปลอดภัย

จมูกอิเล็กทรอนิกส์

จมูก อิเล็กทรอนิกส์ หรือ อี-น็อก (e-nose) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับตรวจจับรสชาติหรือกลิ่น อุปกรณ์นี้สามารถจำลองประสาทสัมผัสของมนุษย์ด้วยชุดเซ็นเซอร์และระบบจดจำรูปแบบ ดังนั้น ขั้นตอนการรับรู้จึงเกี่ยวข้องกับการรับรู้กลิ่นของมนุษย์ และใช้สำหรับการเปรียบเทียบ การระบุ การวัดปริมาณ และการใช้งานอื่นๆ เช่น การจัดเก็บข้อมูลและการดึงข้อมูล ขั้นตอนการรับรู้มีความคล้ายคลึงกับการรับรู้กลิ่นของมนุษย์ และใช้สำหรับการระบุ การเปรียบเทียบ การวัดปริมาณ และการใช้งานอื่นๆ รวมถึงการจัดเก็บข้อมูลและการดึงข้อมูล

เซ็นเซอร์นาโนร็อดสังกะสีออกไซด์

เซ็นเซอร์นาโนร็อดซิงค์ออกไซด์ (เซ็นเซอร์นาโนร็อด ZnO) เป็นอุปกรณ์ออปติคัลหรืออิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตรวจจับโมเลกุลของเหลวหรือก๊าซบางชนิดในบรรยากาศโดยรอบ เซ็นเซอร์เคมีนี้ใช้พื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นสำหรับวัสดุขนาดนาโนทั้งหมด เช่น นาโนร็อด ZnO การดูดซับโมเลกุลบนนาโนร็อดสามารถตรวจจับได้จากความแตกต่างของคุณสมบัติของนาโนร็อด เช่น การเรืองแสง ความถี่การสั่นสะเทือน การนำไฟฟ้า มวล ฯลฯ วิธีที่ง่ายและเป็นที่นิยมที่สุดคือการส่งกระแสไฟฟ้าไปทั่วนาโนร็อดและตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับก๊าซ

เซนเซอร์โพเทนชิโอเมตริก

เซ็นเซอร์โพเทนชิโอเมตริกเป็นเซ็นเซอร์เคมีชนิดหนึ่งที่ใช้หาความเข้มข้นเชิงวิเคราะห์ของส่วนประกอบบางชนิดในสารละลายก๊าซ (หรือ) สารละลายที่วิเคราะห์ เซ็นเซอร์นี้จะวัดศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า เซ็นเซอร์นี้มีข้อดีหลายประการ เช่น ใช้งานง่ายและคุ้มค่าเมื่อเทียบกับเครื่องมือวิเคราะห์ทั่วไป ดังนั้น เซ็นเซอร์เหล่านี้จึงสามารถนำไปใช้งานในด้านต่างๆ เช่น อาหาร การดูแลสุขภาพ เกษตรกรรม การตรวจสอบคุณภาพอาหาร การตรวจสอบคุณภาพน้ำ การตรวจสอบสุขภาพ การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม และอื่นๆ

เซ็นเซอร์ไฮโดรเจน

เซ็นเซอร์ไฮโดรเจนเป็นเซ็นเซอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้ตรวจจับก๊าซไฮโดรเจนในหลากหลายสาขา เซ็นเซอร์เหล่านี้มีต้นทุนต่ำ ทนทาน กะทัดรัด และดูแลรักษาง่ายมากเมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ก๊าซชนิดอื่นๆ ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีรส และไม่มีกลิ่น เซ็นเซอร์นี้ใช้สำหรับตรวจจับปริมาณไฮโดรเจนในสิ่งแวดล้อมและติดตามการรั่วไหลของก๊าซ เซ็นเซอร์นี้ใช้ในเครื่องตรวจจับก๊าซไฮโดรเจนเพื่อตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซ

เซ็นเซอร์ฟลูออเรสเซนต์คลอไรด์

เซ็นเซอร์ฟลูออเรสเซนต์คลอไรด์เป็นเซ็นเซอร์เคมีชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ทางเคมี เพื่อวัดการขนส่งคลอไรด์ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เพื่อปรับปริมาตรเซลล์ สมดุลประจุ ความสามารถในการกระตุ้นเยื่อหุ้มเซลล์ และศักย์ไฟฟ้าขณะพัก นอกจากนี้ยังใช้เป็นหลักในการวินิจฉัยโรคซิสติกไฟโบรซิส การค้นพบการมีส่วนร่วมของคลอไรด์ (Cl−) ในกระบวนการทางสรีรวิทยากระตุ้นการวัด Cl− ภายในเซลล์ที่มีชีวิตและการพัฒนาเครื่องมือฟลูออเรสเซนต์

ความแตกต่างระหว่างเซ็นเซอร์เคมีและเซ็นเซอร์ชีวภาพ

ความแตกต่างระหว่างเซนเซอร์เคมีและเซนเซอร์ชีวภาพมีดังต่อไปนี้

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีของเซนเซอร์เคมีมีดังต่อไปนี้

• เซ็นเซอร์เคมีให้การตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อก๊าซและไอระเหยต่างๆ
• สิ่งเหล่านี้มีราคาไม่แพง
• เซ็นเซอร์เคมีใช้งานง่ายมากและพกพาสะดวก
• พวกนี้ไม่แพงเลย

ข้อเสียของเซนเซอร์เคมีมีดังต่อไปนี้

• เซ็นเซอร์เหล่านี้มีขนาดแคบ (หรือ) มีช่วงอุณหภูมิที่จำกัด
• เซ็นเซอร์นี้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการการตรวจสอบระบบนิเวศทั้งหมดได้
• มีอายุการเก็บรักษาที่จำกัด

การใช้งานเซ็นเซอร์เคมี

การ ประยุกต์ใช้เซนเซอร์เคมี มีดังต่อไปนี้

• เซนเซอร์เคมีมีการใช้งานที่สำคัญในการตรวจจับทางการแพทย์ การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม อุตสาหกรรมอาหาร วิศวกรรมชีวภาพ ความปลอดภัยด้านการป้องกันประเทศ และอุตสาหกรรมเหมืองแร่
• การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ทางเคมีได้แก่ ความปลอดภัย การดูแลที่สำคัญ สุขอนามัยในอุตสาหกรรม การควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์ การควบคุมกระบวนการ ฯลฯ
• เซ็นเซอร์นี้ช่วยวัดและตรวจจับคุณสมบัติทางเคมีภายในสารที่วิเคราะห์
• สิ่งเหล่านี้ใช้ในทางการแพทย์ ระบบรักษาความปลอดภัยในบ้าน มลพิษทางสิ่งแวดล้อม ฯลฯ
• การตรวจจับทางเคมีใช้ในหลากหลายสาขาวิชา เช่น การวิเคราะห์ทางไฟฟ้าเคมี การวัดทางชีวการแพทย์ การติดตามมลพิษ และการควบคุมอุตสาหกรรม
• เซ็นเซอร์เหล่านี้มีการใช้งานที่หลากหลายเพื่อตรวจสอบการตรวจจับมลพิษและสารปนเปื้อน

นี่คือภาพรวมของ เซ็นเซอร์เคมี โครงสร้าง การทำงานวงจร ประเภท ความแตกต่าง ข้อดี ข้อเสีย และการใช้งาน เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับแปลงสัญญาณเคมีเป็นสัญญาณวิเคราะห์ ซึ่งสัญญาณเคมีสามารถเกิดขึ้นได้จากการโต้ตอบแบบเลือกสรรระหว่างวัสดุตรวจจับที่อยู่ในเซ็นเซอร์และสารเป้าหมายที่วิเคราะห์ ตัวอย่างของเซ็นเซอร์เคมี ได้แก่ เครื่องตรวจจับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ เครื่องตรวจจับกลูโคส ยุง ชุดทดสอบการตั้งครรภ์ เป็นต้น