پروژه جامع و کامل درباره نانوسنسورها و بیوسنسورها

اختصاصی از فایلکو پروژه جامع و کامل درباره نانوسنسورها و بیوسنسورها دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

فرمت فایل : word  (لینک دانلود پایین صفحه) تعداد صفحات 208 صفحه

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                           صفحه

 

1-1 مقدمه. 2

1-2  تعریف سنسور 4

1-3 ساختار کلی یک سنسور 4

1-4 خصوصیات سنسورها 5

1-5 انواع ممکن از سیستم سنسور 5

1-6 تکنیک هایی در تولید سنسور: 6

1-7 انواع سنسورها: 7

1-7-1  سنسورهای شیمیایی: 7

1-7-1-1 انواع طرح: 9

1-7-2 سنسورهای گازی.. 11

1-7-2-1 سنسورهای گازی TGS ( آشکارسازهای گازهای تراوش سمی و منفجره) 12

1-7-2-2 عملکرد این سنسور 13

1-7-3 سنسورهای آنزیم.. 15

1-7-4 بیوسنسورها 15

1-7-5 نانو سنسورها 16

1-7-6 سنسور رطوبت... 16

1-7-7 سنسورهای فیبر نوری.. 17

2-1 بیوسنسورها 21

2-1-1 مقدمه. 21

2-1-2 تعریف و تئوری بیوسنسورها 22

2-2 نانو سنسورها 31

2-1 مقدمه. 31

2-2 -2ساختار نانوسنسورها 35

2-2-2-1 استفاده از نقاط کوانتومی در تولید نانوسنسورها 36

2-2-2-2 استفاده از نانو لوله ها در تولید نانو سنسورها 38

2-2-2-3 استفاده از نانو ابزار در تولید نانوسنسورها 46

2-2-3 اقتصاد نانو سنسورها 46

2-2-3-1 مشکلات و موانع پیشرفت بازار نانو سنسورها 49

2-2-4 نگاهی به طراحی یک نوع از نانوسنسورها 51

2-2-4-2 آرایش نانوسنسورهای سیمی.. 53

2-2-4-3 جزئیات طراحی.. 55

2-2-5 انواع نانوسنسورها 58

2-2- 5-1 نانوسنسور ویروسی.. 58

2-2-5-2 نانوسنسورهای pebble 59

2-2-5-3 نانو سنسورهایی برای پایش گلوکز. 59

2-2- 5-4 نانوسنسورهای لیزری.. 60

2-1-3 انواع بیوسنسورها 61

2-1-3-1 نانو ذرات بیو در بیوسنسور 61

2-1-3-1-2 بیوسنسورهای نوری.. 62

2-1-3-2 نانوسیم، نانوفیبرو نانو پروب... 66

2-1-3-3 نانولوله های کربن.. 68

2-1-3-4 بیوسنسورها بر اساس تجمع یافته مولکولی یا بیو تقلیدی.. 71

2-1-3- 5 بیوسنسور نانوتعالی کوارتزی.. 72

2-1-3-6 بیوسنسور دارای میکروسوزن.. 72

2-1-3-7 بیوسنسورهای نوری.. 73

2-1-3-8 بیوسنسور mRNA نوری جدید. 73

2-1-3-9 بیوسنسورهای ناپیوسته. 74

2-1-3-10 بیوسنسور سوئیچ کانال یون.. 76

2-1-4 تکنولوژی رزنانس پلاسمون سطح.. 78

2-1- 5 مزایا و معایب بیوسنسورها 80

2-1-6 مدلسازی و تئوری بیوسنسورها 89

2-1-7 اجزاء بیوسنسورها 91

2-1-7-1 آنالیت ( سوبسترا) 93

2-1-7-2 عناصر بیولوژیکی.. 94

2-1-7-3 مبدل.. 102

2-1-8 روش های پرینت غربالی برای تولید بیوسنسور 108

2-1- 8-1 مقدمه. 108

2-1-8-2 تکنولوژی پرینت غربالی.. 110

2-1-8-3 مواد و روش ها 110

2-1-8-4 کاربردها در زمینه کنترل فرآیند زیستی آنالیز ماده غذایی.. 116

2-1-9 مدلسازی سنتیکی برای بیوسنسورها 117

2-1-9-1 سنتیک آنزیمی.. 118

2-1-9-2 الکتروشیمیایی پایه: 119

2-1-9-3 مدلسازی.. 120

2-1-9-4 ساده سازی فرضیات... 121

1-9-5 بررسی و تحقیق آزمایشگاهی مدل های سنتیک آنالیزی.. 123

2-1-9-6 مدلسازی سنتیک در انواع دیگری از بیوسنسورها 124

2-1-10 تولید پروتئین برای بیوسنسورها 125

2-1-10-1 مهندسی پروتئین منطقی.. 127

2-1-11-2 تکامل (فرایند موتاسیون و انتخاب طبیعی )جهتدار: 127

2-1-11-1 جهش ژنی تصادفی.. 129

2-1-1-2 باز ترکیب... 130

2-1-1-3 ساختمان عملکرد غربالگری.. 132

2-1-12 خصوصیات عملکردی ژن های جهش یافته. 136

2-1-13 نتیجه گیری ملاحظات... 137

2-1-14 اقتصاد بیوسنسورها 138

2-1-15 آینده بیوسنسورها 144

3-1 کاربرد بیوسنسورها 147

3-1-1 سنسورهای شیمیایی موج صوتی.. 148

3-1-2 حس کردن بیومولکولها و سلولها 148

3-1-3 غربال زنی دارو 149

3-1-4 شاخصهای زیستی تشخیص.... 150

3-1-5 شناسایی پاتوژن ( عامل بیماریزا) 151

3-1-6 کاربرد  بیوسنسور درصنایع غذایی.. 158

3-1-6-1 کنترل کیفیت و نظارت بر فرایندهای تولید به صورت آنلاین.. 159

3-1-6-2 اندازه گیری ترکیبات مواد غذایی مانند کربوهیدارت ها 160

( گلوکز، لاکتوز، گالاکتوز و غیره) واسیدهای آمینه. 160

3-1-6-3 اندازه گیری آلاینده ها مانند آفت کش ها، آنتی بیوتیک ها، فلزات سنگین و سموم. 161

3-1-6-4 اندازه گیری سریع باکتریهای بیماریزای غذایی.. 161

3-1-7 نیاز بیوسنسورها در صنایع غذایی و تحقیقات غذایی.. 165

3-1-7-1 مقدمه. 165

3-1-7-2 آنالیز پروکسیمات... 166

3-1-7-3 برچسب گذاری تغذیه ای.. 168

3-1-7-3 مواد معدنی.. 170

3-1-7-4 پسماند های آفت کش.... 173

3-1-7-5 عوامل ضد تغذیه ای و سمی که بطور طبیعی رخ می دهند. 175

3-1-7-6 پروسه ی تغییرات... 177

3-2 کاربرد های نانو سنسورها 185

3-2-1 وجود الگوی کاربرد برای سنسورها در هر بخش از صنعت... 194

3-2-2 جستجوی سموم و مواد مخدر در بدن.. 196

3-2-2-1 اندازه گیری مورفین با پلیمرهای قالب مولکولی.. 196

3-2-2-2 اندازه گیری الکل.. 197

3-2-2-3 اندازه گیری میکروسیستین.. 198

3-2-3 ردیابی و اندازه گیری گازها 198

3-2-3-1 ردیابی و اندازه گیری گازهای سمی با استفاده از نانولوله ها 198

3-2-3-2 ردیابی و اندازه گیری گازهای انفجاری به کمک حسگرهای نانو ذرات... 200

3-2-3-3 استفاده از بینی الکترونیکی در تشخیص گازها 200

منابع و مآخذ. 201

1-1 مقدمه

سنسورها از نظر کیفی مرحله جدیدی را در استفاده هر چه بیشتر از همه امکاناتی که توسط علم میکروالکترونیک به وجود آمده است ، بویژه در زمینه پردازش اطلاعات عرضه می کنند. سنسورها رابط بین سیستم کنترل الکتریکی از یک طرف و محیط، عملیات، رشته کارها یا ماشین از طرف دیگر هستند. در گذشته تکامل سنسور قادر به هم گامی با سرعت تکامل در صنعت میکروالکترونیک نبوده است. در واقع ،در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 تکامل سنسور در سطح بین المللی بین 3 تا 5 سال عقب تر از تکامل علم میکروالکترونیک در نظر گرفته می شد این حقیقت که ساخت عناصر میکروالکترونیک غالباً بسیار ارزان تر از عناصر اندازه گیری کننده ای (سنسورهایی) بود که آنها احتیاج داشتند یک مانع جدی درازدیاد و متنوع نمودن کاربرد میکروالکترونیک پردازشگر اطلاعات در گستره ی وسیعی از عملیات و رشته کارها بود. چنین اختلاقی بین علم میکروالکترونیک مدرن و تکنولوژی اندازه گیری کننده کلاسیکی تنها توانست به واسطه ظهور تکنولوژی سنسورهای مدرن بر طرف شود. به این دلیل، امروزه سنسورها بعنوان یکی از عناصر کلیدی جهت تکامل پیوسته و شتابان علم میکروالکترونیک شمرده می شوند.

کار تحقیقاتی و تکاملی گسترده در شاخه های مختلف تکنولوژی سنسور درسطح بین المللی آغاز شد. حاصل این فعالیت آن است که امروزه تجارت سنسور از بالاترین نرخ های رشد سالانه بهره مند می باشد. از انجایی که سنسورها وسیله ی اساسی برای به دست آوردن همه اطلاعات لازم در رابطه با وضعیت های مختلف عملیات و محیط هستند، بنابراین آنها باب امکانات کاملاً جدیدی را به روی اتوماسیون طیفی از عملیات درصنعت، منزل، کارخانه ، کاربردهای طبی و سایر بخشها می گشایند. بعنوان مثال کارخانه های تماماً اتوماتیک و مجتمع آینده تنها می تواند به کمک سنسورها تحقق یابد اگر چه سنسورها به همراه علم میکروالکترونیک پردازشگر اطلاعات یک گام مهم روبه جلو را عرضه می دارد لیکن این تنها اولین قدم است. در این مرحله سنسورها از تعدادی از عناصر میکروالکترونیک موجود، بعنوان مثال به شکل پردازشگر ها، حافظه ها، مبدل های آنالوگ به دیجیتال با تقویت کننده ها ، برای آماده نمودن سیگنال خروجی استفاده می کنند. در عین حال، سنسور باید یک خروجی الکترونیکی تولید کند که به آسانی پردازش می شود در حالت ایده آل این سیگنال به شکل یک سیگنال دیجیتالی سازگار با باس می باشد. همچنین احتیاج به کاهش وزن و حجم وجود دارد.

دومین گام عبارت است از اتصال سنسور - سیستم میکروالکترونیک – مکانیکی می باشد. اطلاعات حاصل شده توسط سنسور در رابطه با حالت یا پیشرفت یک پروسه با عبور از یک طبقه ی پردازشگر سیگنال الکترونیکی وارد بخش مکانیکی شده و به پروسه بازخورانده می شود زنجیره سنسور- سیستم میکروالکترونیک- بخش مکانیکی تنها در صورتی کار می کند که همه ی خطوط رابط سازگار باشند این امر منجربه توصیف یک معیار مهمتر بویژه تا جایی که به سنسور مربوط است می شود علی رغم آگاهی گسترده در رابطه با اهمیت سنسور بعنوان یکی از عناصر کلیدی در فراینداتوماسیون ، کسب اطلاعات جامع و مقایسه ای درباره وضعیت تکنولوژی سنسور پیشرفت های حاصل شده در این زمینه مشکل است این امر دارای چند دلیل زیر است:

1- سنسورهایی برای اندازه گیری بیش از 100 کمیت فیزیکی وجود دارد. اگر اندازه گیری کمیت های شیمیایی را نیز به حساب آوریم این رقم به چندین 100 فقره وارد می شود.

2- تقریباً 2000 نوع اصلی از نوع سنسورها را می توان طبقه بندی کرد. بین 000/60 و 000/100 سنسور برای اندازه گیری در حال حاضر پروسه ها از نظر تجاری در دنیای غرب وجود دارد.

3- بر طبق گزارش پایگاه داده های INSPEC هر ساله بیش از 000/10 نشریه در رابطه با سنسورها منتشر می شود.

4- تکنولوژی های سنسور جدید تخمیناً  بین 5 الی 15 سال طول می کشد و چنین فرایند بسیار هزینه بر می باشد.

بحث سنسور دارای مشخصه ی چندگانگی علمی بسیار زیادی است از سازنده سنسور گرفته تا استفاده کننده آن تخصص های خیلی زیادی می طلبد. این حقیقت مزایای خودش را دارد ؛ بعنوان مثال کاربرد ترکیبی یک یا چند اصل سنسور مجاز شمرده می شود، با این وجود معایبی نیز مشاهده می شود از قبیل میزان مقاومتی که در رابطه با معرفی ایده های جدید و ناشناخته وجود دارد.

1-2  تعریف سنسور

سنسور یک وسیله ی الکتریکی ست که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می نماید. سنسورها در واقع ابزار ارتباط رباط با دنیای خارج و کسب اطلاعات محیطی و نیز داخلی می باشند، و یا به طور کلی ابزارهایی هستن که تحت شرایط خاص از خود واکنشهای پیش بینی شده و مورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین سنسورهایی دانست که بشر ساخت.

1-3 ساختار کلی یک سنسور

در طراحی یک سنسور دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی ، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضور دارند عنصر سنسور در تماس با یک آشکار ساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه مورد نظر در یک نمونه پیچیده است. سپس آشکار ساز سیگنال های شیمیایی را که در نیتجه پیوند شدن عنصر سنسور با گونه مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیم ها، گیرنده ها یا کل سلول ها می توانند بعنوان عنصر سنسور مورد استفاده قرار گیرند.

1-4 خصوصیات سنسورها

یک سنسور ایده آل باید خصوصیات زیر داشته باشد:سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد.

• بسیار اختصاصی نسبت به گونه ی مورد نظر عمل کند.
• قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
• تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
• سرعت پاسخ بالایی داشته باشد( در حد میلی ثانیه).
• عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و .....

1-5 انواع ممکن از سیستم سنسور

الف) سیستم سنسور با ساختار گسسته

ب) سیستم سنسور با سنسور مجتمع

ج) سیستم سنسور هوشمند

1-6 تکنیک هایی در تولید سنسور:

تکنولوژی سنسور امروزی هنوز هم بر اساس تعداد نسبتاً زیادی از سنسورهای غیر مینیاتوری استوار شده است، این امر با بررسی ابعاد هندسی سنسورهایی برای اندازه گیری فاصله ، توان، شتاب، سرعت، سیال عبوری ، فشار و غیره مشاهده می شود. برای اکثر سنسورها این ابعاد از cm 10 تجاوز می کند. اغلب ابعاد سنسور توسط خود سنسور تعیین نمی شود بلکه بوسیله ی پوشش خارجی  آن مشخص می گردد. با این وجود، حتی در چنین مواردی خود سنسورها از نظر اندازه در حد چند سانتی متر هستند. چنین سنسورهایی ، که می توانند گاهی خیلی گرانبها باشند، در آینده مهم باقی خواهد ماند، بعنوان مثال در زمینه ی اندازه گیری پروسه، تکنولوژی تولید و رباتها.

با این وجود، به طور موازی با این مسئله می توان تکامل دیگری را مشاهده کرد که بوسیله پیشرفت هایی در میکروالکترونیک شروع شده است. تکنولوژی میکروالکترونیک ظهور و تکامل سنسورهایی را برانگیخته است که قابل مینیاتور سازی هستند و برای امکان تولید انبوه مناسب می باشند. هدف از مینیاتورسازی ارائه ی یکسری مزایا می باشد. بعنوان مثال اثر یک سنسور مینیاتوری بر روی پارامترهای اندازه گیری شده ضعیف است. این به معنی آن است که چنین سنسوری درجه ی کمتری از تداخل را ایجاد می کند و بنابراین درجه ی بالاتری از وقت اندازه گیری حاصل می شود اینرسی سنسور کاهش می یابد و سنسور توان الکتریکی کمتری را نسبت به سنسورهای کلاسیکی مصرف می کند.  در تکنولوژی های میکروالکترونیک اکثراً مواد زیر استفاده می شوند:

• تکنولوژی سلیکان
• تکنولوژی لایه نازک
• تکنولوژی لایه ضخیم/ هیبرید؛
• سایر تکنولوژی های نیمه هادی

پروسه های دیگری نیز در تولید سنسور بکار برده می شوند از قبیل تکنولوژی های فویل ( با چکش کاری، یا غلطاندن فلزی را به شکل یک صفحه نازک در آوردن) و سینتر با گرم کردن یک ماده پودر مانند را به شکل یک جسم سفت در آوردن) به تکنولوژی فیبر نوری ، مکانیک دقیق، تکنولوژی لیزر نوری، تکنولوژی میکرو ویو و تکنولوژیهای بیولوژی ، بعلاوه ، تکنولوژی هایی از قبیل پلیمرها، آلیاژهای فلزی یا مواد پیزو الکتریکی نیز نقشی را در تولید سنسور بازی می کنند.

1-7 انواع سنسورها:

• سنسور شیمیایی 2- سنسور گازی 3- سنسور رطوبت 4- سنسور آنزیم 5- بیوسنسور
   6- نانوسنسور 7- سنسور فیبر نوری

1-7-1  سنسورهای شیمیایی:

سنسورهای شیمیایی غلظت ذرات مخصوص ( اتم ها ، مولکولها یا یون ها را در گازها یا مایعات) را با استفاده از علامت الکتریکی ثبت می کنند در مواردی که با تشخیص مواد بیولوژیکی ویژه سر و کار دارند وسایل به کاربرده شده بعنوان سنسورهای بیولوژیکی شناخته می شوند اینها اغلب یک طبقه جداگانه از سنسور شیمیایی تلقی می شوند. سنسورهای شیمیایی خیلی متفاوت از سنسورهای فیزیکی هستند. اولاً تعداد گونه های شیمیایی که روی سنسور عمل می کنند معمولاً بسیار زیاد هستند. تقریباً 100 اندازه گیری فیزیکی می تواند با استفاده از سنسورهای فیزیکی ثبت شود دو مورد سنسورهای شیمیایی، این تعداد از نظر اهمیت چندین مرتبه بزرگ تر است. یک مثال از این تعداد ترکیباتی است که برای آزمایشها در آزمایشگاه های پزشکی انجام می شود. ثانیاً ، باید سنسور شیمیایی وسیله ای را که اندازه گیری می کند و باز، باشد و نمی تواند مثل مورد سنسورهای حرارتی بسته باشد. این بدان معنی است که آن در معرض عوامل نامطلوب از قبیل نور یا خوردگی قرار داد.