Senzorii sunt dispozitive care sesizează variaţia unui parametru din sistem prin emiterea de semnal corespunzător, corelat cu mărimea (intensitatea) parametrului respectiv. Se mai numesc traductoare si cele care au o construcţie mai complexă (care include şi alte elemente auxiliare). Senzorii (traductoarele) au rolul de a transforma anumiţi parametri ai sistemului în mărimi de altă natură. Parametrul de transformat formează semnalul de intrare al traductorului, iar cel transformat semnal de ieşire.

3. Biosenzori

Sunt senzori care au o interfata de natură biologică sau biochimică, care este foarte selectiva la prezenta in mediul de analizat a unui compus specific, ce poate fi determinat prin detecţia (electrochimica, optica etc.) a semnalului obţinut prin interacţiunea dintre acest compus si biointerfata respectiva. La rândul lor, biosenzorii se pot clasifica dupa mai multe criterii care vor fi prezentate in cele ce urmeaza

Alte tipuri de senzori:

a) senzori piezoelectrici si acustici

b) senzori electronici: 1) de tip semiconductori: integraţi, pe baza tehnologiei MOS-FET; 2) de tip oxizi-semiconductori 3) senzori rezistivi: chemorezistori si termorezistori.

c) senzori bazaţi pe proprietăţi magnetice;

d) senzori bazaţi pe radiaţia ionizantă.

Caracteristicile senzorilor (traductoarelor)

Caracteristicile primare ale senzorilor (traductoarelor)

Principalele caracteristici primare ale senzorilor (traductoarelor) folosite in controlul factorilor de mediu, cu referire in special la calitatea apei, sunt următoarele:

1. Funcţia de transfer

2. Sensibilitatea

3. Selectivitatea (specificitatea)

4. Stabilitatea

5. Timpul de răspuns

6. Gradul de participare al senzorului

7. Siguranţa în exploatare

8. Economicitate

1. Funcţia de transfer - este caracteristica cea mai importantă a unui senzor. Reprezintă expresia relaţiei dintre semnalul de intrare (de exemplu, concentraţia unei anumite specii de determinat, temperatura, presiunea, etc.) şi semnalul de ieşire al senzorului.

2. Sensibilitatea (limita de detecţie) - este definită drept concentraţia cea mai scăzută în specia urmărită, care conduce la apariţia unui semnal care poate fi distins de semnalul obţinut prin măsurători paralele în probele martor.

3. Selectivitatea unui traductor se referă la efectul interferenţelor cauzate de ioni sau molecule, altele decât specia urmărită. Întrucât la marea majoritate a traductoarelor nu se poate asigura un procent de 100 % a selectivităţii, este important sa se cunoască limitele de selectivitate într-o soluţie test dată.

4. Stabilitatea semnalului în timp: această caracteristică primară se referă, în general, la modificarea performanţelor traductoarelor (T) în timp din cauza unor diverşi factori. Cunoaşterea stabilităţii senzorului (traductorului) în timp permite stabilirea frecvenţei de verificare şi recalibrare a acestuia.

5. Timpul de răspuns: decalajul în timp dintre variaţia semnalului de intrare şi variaţia corespunzătoare semnalului de ieşire a traductorului respectiv.

6. Gradul de participare al senzorului - gradul de participare al senzorului la interacţiunea cu sistemul studiat trebuie să fie redus datorită eliminării perturbaţiilor cauzate de prezenţa senzorului în sistem (exemplu: consum de materii).

7. Siguranţa în exploatare - presupune asigurarea unui grad de fiabilitate a sistemului de măsură, care este garantat de producător pentru o anumita durată de funcţionare a traductorului si este de dorit să fie cât mai mare. Fiabilitatea sistemului de măsură este definita ca numărul maxim de defecţiuni a sistemului intr-un anumit interval de timp. In aceste condiţii, traductorul trebuie să realizeze măsurarea mărimilor dorite în conformitate cu caracteristicile stabilite de producător.

8. Economicitatea este o caracteristica a unui senzor (traductor), care se poate realiza pornind de la producător şi ajungând pânã la utilizator. La producător, economicitatea se poate realiza fie prin întrebuinţarea unor materiale cu preţ de cost redus, fie prin introducerea robotizãrii in procesul de fabricaţie de serie, folosind tehnologii de tip hightech (de exemplu: fabricarea senzorilor de tip micro-chip).

Erori întâlnite in procesul de măsurare erorile sistematice sunt constante pentru un instrument dat si efectele lor pot fi înlăturate; valorile acestora se determină prin calibrare; erorile aleatorii nu pot fi înlăturate dar pot fi reduse prin măsurări repetate.

Parametri calibrării utilizaţi pentru definirea preciziei (erorii) sunt următorii:

rezoluţia

sensibilitatea

linearitatea

histerezisul

repetabilitatea/precizia /reproductibilitatea

Caracteristicile secundare ale senzorilor:

Caracteristicile secundare ale unui senzor sunt definite ca efecte indirecte ale funcţionării senzorului in condiţii diferite ambientale, asupra răspunsului generat de sistemul de analiza realizat pe baza senzorului.

Caracteristicile secundare ale senzorilor sunt necesare pentru asigurarea unor modalităţi tehnice de compensare sau autocompensare a influentei condiţiilor de analiză asupra validităţii rezultatelor măsurătorilor. Dacă in cadrul unor măsurători a calităţii apelor de suprafaţa, o serie de parametri pot fi menţinuţi constanţi (cum ar fi: viteza de agitare la suprafaţa membranei senzorului de tip electrod ion selectiv, presiunea apei în celulele de măsurare a gazelor dizolvate, folosind membrane gaz permeabile), influenta altor parametri (cum ar fi: temperatura, tăria ionică etc.) asupra răspunsului generat de senzori este relativ greu de cuantificat. Din aceasta cauza se impune compensaţia răspunsului senzorilor la influenta unor mărimi caracteristici secundare.

Biosenzorii sunt detectori ce se bazeaza pe molecule selective ce intra in componenta plantelor si animalelor. Biosenzorii moderni au evoluat din combinarea a doua discipline separate: tehnologia informationala, (microcircuite si fibre optice, procesare numerica a datelor, teoria generala a sistemelor cu comportare neliniara) si biologia moleculara. Prima furnizeaza electrozi miniaturali sau senzori optici, tehnica de preluare si procesare a informatiei iar a doua, pune la dispozitie biomolecule care recunosc o substanta tinta.

BIOSENZORI Definiţie: un biosenzor poate fi definit ca un dispozitiv, de obicei electronic, care foloseşte moleculele de interes biologic pentru a detecta molecule specifice. Biosenzorul constă dintr-un element biologic imobilizat pe un senzor fizico-chimic clasic care transformă informaţia chimică într-un semnal electric.

Dezvoltarea cronologica a biosenzorilor

♦ In 1950 Leland C. Clark Jr., a inventat un electrod pentru masurarea oxigenului dizolvat in sange. In 1962 Clark extinde folosirea acestui "electrod de masurare a oxigenului" la determinarea nivelului de glocoza in sange. Prin depunerea pe senzorul pentru oxigen a unui strat subtire de gel ce contine enzima numita glucooxidaza, urmat de o membrana semipermeabila de dializa ce permite glucozei sa difuzeze in senzor, dar impiedica enzima sa difuzeze.

♦ In 1969, G.Guilbault a inventat un sistem de masura a ureei in fluidele fiziologice, pe baza detectiei potentiometrice.

♦ In deceniile ce au urmat, peste 100 de enzime au fost folosite, drept biocatalizatori selectivi in realizarea de biosenzori. Cercetatorii in domeniu au realizat ca nu numai enzimele singulare se pot folosi, ci si tesuturi ce care sunt sensibile la prezenta unor aminoacizi sau alte biomolecule.

♦ Un an major pentru dezvoltarea biosenzorilor a fost anul 1975, cînd tehnologia acestora a cunoscut o nouă revoluţie. Aceasta s-a datorat folosirii bacteriilor pe post de bioreceptori în aşa numiţii electrozi microbieni (folosiţi iniţial pentru măsurarea alcolului). Acest moment a marcat şi începutul folosirii biosenzorilor în controlul mediului înconjurător.

♦ In 1976 Clemens a încorporat un biosenzor de glucoză într-un panceas artificial.

♦ In 1990 Gold şi Ellington au fost primii care au folosit fragmente de acizi nucleici pe post de bioreceptori.

♦ Isao Kurube si Shuichi Suzuki au masurat consumul biochimic de oxigenului, ce reprezinta un indicator al prezentei substantelor organice biodegradabile in apa. Biosenzorul, bazat pe o drojdie, poate realiza determinari a indicatorului mentionat in 30 minute fata de 5 zile in care se obtin rezultatele prin metode conventionale.

Clasificarea biosenzorilor O clasificare a biosenzorilor se poate realiza după mai multe criterii: ♦ dupa tipul traductorului folosit în prelucrarea informaţiilor preluate de la elementul biologic: - biosenzori realizaţi pe baza senzorilor electrochimici(potenţiometrici,amperometrici,conductometrici); - biosenzori realizaţi pe baza unor senzori termici;

- biosenzori optici;

- biosenzori piezoelectrici;

- biosenzori manometrici.

Clasificarea biosenzorilor

♦ dupa tipul de agent biologic folosit

◘ biocatalitic (enzime, celule, tesuturi)

◘ anticorp (imunosenzor)

◘ antigen (fragment de ARN).

♦ dupa analitii sau reactiile pe care le monitorizeaza

◘ monitorizare directa

◘ monitorizare indirecta

Elemente constructive ale biosenzorilor

♦ Elementul biologic sensibil (material biologic - tesut, microorganism, celule, enzime, anticorpi, acizi nucleici sau material obtinut prin intermediul stiintelor inginersesti);

♦ Traductorul sau detectorul (optic, piezoelectric, electrochimic) care transforma semnalul rezultat din interactiunea analitului cu elemental biologic intr-o marime fizica usor de masurat si cuantificat;

♦ Sistemul de masurare si prelucrare a semnalelor senzoriale, astfel ca rezultatele obtinute sa poata fi exprimate intr-un mod simplu si cunoscut. Principii de functionare (detectie)

♦ Biosenzorii optici pot fi exemplificati prin folosirea unei radiatii laser corespunzatoare fenomenul “surface plasmon resonance”. Astfel un strat subtire de aur depus pe o suprafata de sticla cu indice ridicat de refractie poate absorbi lumina laser si produce unde de tipul “surface plasmons” pe stratul de metal. Daca un analit intra in contact cu un receptor imobilizat pe suprafata peliculei de aur, se produce un semnal masurabil.

♦ Biosenzorii electrochimici au la baza cataliza enzimatica a unei reactii de reducere sau de oxidare.

♦ Biosenzorii piezoelectrici utilizeaza cristale de quartz care se deformeaza si produc oscilatii, cand li se aplica un potential electric.

Biosenzori electrochimici

Biosenzorii au ocupat o poziţie importantă printre modalităţile actuale de analiza şi prezinta perspective promitatoare în domeniul monitorizării mediului înconjurător. Astfel de dispozitive constau în două componente: o entitate biologică care “recunoaşte” compusul ţinta analizat (analit) şi un electrod traductor care converteste concentratia analitului în semnal electric utilizabil.

Fig.1

Biosenzor electrochimic: biorecunoaştere şi semnal de traductor Aplicatii

♦ Detectia pesticidelor si a altor poluanti organici din ape (fenoli, antibiotice, etc.);

♦ Detectarea agentilor patogeni;

♦ Determinarea nivelului de substante toxice inainte si dupa remediere;

♦ Detectia substantelor toxice din aer;

♦ Evaluarea activitatii biologice a unor produse recent descoperite. Biosenzori pentru detectia pesticidelor Biosensorii pentru detectia pesticidelor, se bazeaza pe inhibarea activitatii enzimatice a unor enzime de tipul colinesteraselor imobilizate, utilizand detectori de tip electrochimic, si respectivi detectori optici. Acestia, au o sensibilitate destul de ridicata, dar prezinta anumite dezavantaje: selectivitate relativ scazuta, determinare indirecta ce necesita mai multe etape, intermediare in procesul de analiza, inhibitie ireversibila in cazul multor compusi interferenti. Aceste dezavantaje, pot fi inlaturate, prin utilizarea diferitelor tipuri de traductoare, cum ar fi spre exemplu cele capacitive, realizat pe siliciu macroporos. Biosenzor clasic pentru determinarea D-glucozei

Fig.2 Dispozitivul consta dintr-un receptor conectat la un canal ionic implantat intr-o membrana modificata chimic.

Biosenzorii prezinta o serie de avantaje, in afara de sensibilitate si selectivitate ridicata dupa cum urmeaza:

♦ in cazul in care analitul prezinta mai multi izomeri, prezinta selectivitate diferita, permitand determinarea separata a fiecaruia.

♦ timpul necesar unei analize folosind biosenzori este incomparabil mai scurt, fata de metodele clasice (timpul de analiza se poate reduce la 1-3 minute.)

♦ prin co-imobilizarea enzimelor si a coenzimei in realizarea biosenzorilor, se asigura reutilizarea acestor reactivi pentru determinari multiple, scazind astfel pretul unei analize si simplificand procedura.

♦ protocolul de lucru este, in cazul metodelor enzimatice, mult mai simplu decit in cazul metodelor chimice.

Concluzii

♦ Biosenzorii integrati in microcircuite electronice prezinta marele avantaj al posibilitatii de realizare a unor instrumente analitice ieftine, reproductibile, care pot fi produse in serie larga.

♦ Timpul de raspuns scazut al biosenzorilor, conduce la variante de analiza mai economice, datorat utilizării unei singure enzime în cantităţi foarte mici.

♦ Realizarea senzorului este extrem de simpla.

♦ Deosebit de importante din punct de vedere practic sunt etapele care privesc calibrarea si modalitatea de furnizare a unor rezultate (cu grad de incertitudine determinat si admisibil), care sa permita stabilirea domeniul de concentratii, pentru care sa se obtina rezultate cat mai apropiate de standard, la masuratori pe probe cu matrice complexa, asa cum sunt cele reale.

Exemple de biosenzori electrochimici pentru analize de mediu

DETECŢIA ŞI CONTROLUL RADIOACTIVITAŢII

Prin radiatie ionizanta se intelege radiata emisa de sursele radioactive (care pot fi de origine naturala sau artificiala). Astfel suntem permanent expusi la un nivel scăzut de radiaţie ionizantă din surse naturale care poate proveni din: 1.radiaţia cosmică 2.radiaţia terestră 3.radon 4.radiaţia naturală din interiorul organismelor noastre Radiaţia ionizantă provenind din aceste surse constituie ceea ce

numim radiaţie de fond. In plus, suntem expusi şi la o radiaţie artificială, provenind din: - expunere medicală – din radiografdfiile medicale şi dentare cu raze X, şi din tratamentele de iradiere cu cobalt sau cu iod radioactiv. - diverse alte surse – producerea de energie electrică atât în instalaţii clasice cât şi în cele nucleare, transportul şi depozitarea substanţelor nucleare, programele de testare a armamentului nuclear, cât şi din alte activităţi umane, cum ar fi fumatul, arderea gazului pentru încălzire şi gătit, utilizarea fosfaţilor ca fertilizatori şi privitul la televizor color.

ANALIZA CALITĂŢII AERULUI

In cele ce urmeaza vor fi prezentati senzorii destinati monitorizarii indicatorilor meteorologici ai aerului atmosferic, dupa care se va face referire la senzorii destinati masurarii principalilor indicatorii de calitate ai atmosferei [NOx, SOx, COV, PM (10 sau 2.5)].

Senzori de umiditate

Umiditatea se referă la vaporii de apă conţinuţi în aer. Măsurătorile pentru umiditate pot fi condiţionate de o serie de termeni sau unităţi. Cei trei termeni folosiţi de obicei sunt: umiditatea absolută, punctul de rouă şi umiditatea relativă (RH).

Punctul de rouă

Punctul de rouă este exprimat in °C sau °F, este temperatura şi presiunea la care gazul incepe să condenseze intr-un lichid.

Umiditatea relativa

Este prescurtată RH, umiditatea relativă se referă la raportul (exprimat in procente) a conţinutului în umiditate din aer în comparaţie cu umiditatea saturată la aceeaşi temperatură şi presiune.