Wiki - Вклад участника [ru]

SCADA системы

2016-04-08T09:47:52Z

С.Ефремов:

2015/16 уч. год, И-47

[http://michm.ru/hmi.doc История применения средств вычислительной техники в решении задач управления]

1. Основы кодирования и передачи информации. Системы счисления. Логические операции. Компьютерная арифметика. Целочисленная и вещественная арифметика. Структуры данных. Коды и сжатие данных. Избыточность. 
2. Основные требования к промышленным сетям. Основные промышленные Интерфейсы ввода-вывода. Промышленные интерфейсы и сети: HART, RS-485, Modbus, Profibus, CAN, Ai-interface, Industrial Ethernet, EtherCAT, 4-20 мА. 
3. Измерение температуры, контактные датчики. Области применения и особенности термосопротивлений ТСМ50, ТСП100, ТСП1000. Интерфейсы связи с ПЛК. 
4. Работа ПЛК. Архитектура ПЛК. Разрядность АЦП блоков ввода, точность представления измеренных значений технологических переменных. 
5. Программирование ПЛК. Языки стандарта МЭК 61131-3. Области применения, особенности, примеры. 
6. Измерение температуры, контактные датчики. Области применения и особенности термопар. Интерфейсы связи с ПЛК. 
7. Иерархическая структура управления технологическим процессом. Уровни АСУТП (SCADA), MES, ERP. 
8. Измерение качества. Области применения и особенности датчиков pH, pO2. Интерфейсы связи с ПЛК. 
9. Промышленная безопасность – коды IP, классификация пожаровзрывоопасных зон, типы защиты электрооборудования. 
10. Логические операции: унарные, бинарные. Понятие базиса. Таблицы истинности. 
11. Электропитание. Напряжения, стабилизация, блоки бесперебойного питания. 
12. Основы теории управления: линейная теория управления – принцип суперпозиции, устойчивость, преобразование Лапласа, критерии устойчивости, характеристики процесса регулирования. 
13. Основы теории управления: линейная теория управления характеристики процесса регулирования, П, ПИ-, ПИД – регуляторы. 
14. Основы теории управления: нелинейная теория управления. релейные системы управления, фазовые портреты. 
15. SCADA системы. OPM. LabVIEW.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-06T10:48:21Z

С.Ефремов:

== Измерение pH ==
'''Водородный показатель pH''' - показатель, характеризующий концентрацию свободных ионов водорода в воде. Рассчитывается, как десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком: pH = -log[H+]. Имеет диапазон от 0 до 14.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.

В основе измерения водородного показателя pH лежит кондуктометрический метод.

'''Кондуктометрия''' - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Датчиком, измеряющим такую электродвижущую силу, является гальванический преобразователь.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, то есть в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом.

Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод. Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

== Измерение pO2 ==
Способ измерения концентрации растворенного кислорода - амперометрический метод - очень схож с измерение показателя pH, поэтому все вышесказанное, актуально и для измерения концентрации кислорода pO2.

'''Амперометрический метод'''. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

'''Оптический принцип измерения растворенного кислорода'''
В последнее время начал использоваться оптический принцип измерения растворенного кислорода. Этот принцип, получивший название LDO, основывается на физическом явлении люминесценции. Данное явление определяется как способность определенных материалов (люминофоров) испускать излучение не в результате нагрева, а в результате возбуждения иного рода. В методе LDO в качестве источника возбуждения используется свет. Подобрав подходящий материал и длину волны возбуждающего света, удалось добиться пропорциональности, как интенсивности, так и степени затухания люминесцентного излучения концентрации кислорода в окружающем люминофор растворе. Молекулы кислорода в анализируемом образце вступают в непосредственный контакт с люминофором.

[[Файл:Ldo.gif|right]]

В процессе измерения синий светоизлучающий диод (СИД) испускает импульс света, который проходит через прозрачную подложку и частично поглощается слоем люминофора. Электроны в молекулах люминофора при этом переходят на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние). В течение нескольких микросекунд электроны возвращаются в исходное состояние через несколько промежуточных энергетических уровней, испуская разницу в энергиях в виде более длинноволнового (красного) излучения. Если в этот момент молекулы кислорода находятся в контакте с люминофором,
они могут поглотить энергию электронов, находящихся в возбужденном состоянии и сделать возможным их возвращение в исходное состояние без испускания кванта света (безизлучательный переход). С увеличением концентрации кислорода этот процесс будет приводить к уменьшению интенсивности испускаемого "красного" излучения (люминесценции).

Для определения концентрации кислорода анализируется время затухания люминесценции. Таким образом, измерение концентрации кислорода сводится к чисто физическому измерению времени.

Отклик сенсора постоянно регулируется при помощи красного светоизлучающего диода (СИДа), смонтированного в датчике. Перед каждым измерением он испускает луч света с известными характеристиками, который отражается от люминофора и попадает в оптическую систему. Благодаря этому, без задержки происходит определение и компенсация любых изменений измерительной системы.

Файл:Ldo.gif

2016-04-06T10:46:23Z

С.Ефремов: Принцип работы датчика LDO. Красный и синий светоизлучающие диоды (СИДы) в датчике

Принцип работы датчика LDO. Красный и синий светоизлучающие диоды (СИДы) в датчике

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-05T13:28:47Z

С.Ефремов:

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T14:00:52Z

С.Ефремов:

Способы измерения показателей pH (водородный показатель) и pO2 (концентрация кислорода в жидкости) основаны на одном и том же методе - кондуктометрии.

Кондуктометрия - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.

Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Датчиком, измеряющим такую электродвижущую силу, является гальванический преобразователь.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, то есть в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом.

Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод. Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Все вышесказанное, ввиду аналогичности методов измерения, актуально и для измерения концентрации кислорода pO2.
Концентрация кислорода измеряется амперометрическим методом. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T13:58:59Z

С.Ефремов:

Способы измерения показателей pH ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C водородный показатель]) и pO2 (концентрация кислорода в жидкости) основаны на одном и том же методе - кондуктометрии.

Кондуктометрия - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.

Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Датчиком, измеряющим такую электродвижущую силу, является гальванический преобразователь.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, то есть в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом.

Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод. Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Все вышесказанное, ввиду аналогичности методов измерения, актуально и для измерения концентрации кислорода pO2.
Концентрация кислорода измеряется амперометрическим методом. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T13:57:16Z

С.Ефремов:

Способы измерения показателей pH ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C водородный показатель]) и pO2 (концентрация кислорода в жидкости) основаны на одном и том же методе - кондуктометрии.

Кондуктометрия - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.

Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Датчиком, измеряющим такую электродвижущую силу, является гальванический преобразователь.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, то есть в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом.

Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод. Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Концентрация кислорода измеряется амперометрическим методом. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T13:55:46Z

С.Ефремов:

Способы измерения показателей pH ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C водородный показатель]) и pO2 (концентрация кислорода в жидкости) основаны на одном и том же методе - кондуктометрии.
'''Кондуктометрия''' - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.

Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Датчиком, измеряющим такую электродвижущую силу является гальванический преобразователь.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, то есть в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом.

Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод. Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Концентрация кислорода измеряется амперометрическим методом. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T11:02:36Z

С.Ефремов:

Способы измерения показателей pH ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C водородный показатель]) и pO2 (концентрация кислорода в жидкости) основаны на одном и том же методе - кондуктометрии.
'''Кондуктометрия''' - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.
Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод.
Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Концентрация кислорода измеряется амперометрическим методом. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T11:01:50Z

С.Ефремов:

Способы измерения показателей pH ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C водородный показатель]) и pO2 (концентрация кислорода в жидкости) основаны на одном и том же методе - кондуктометрии.
'''Кондуктометрия''' - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Концентрация кислорода измеряется амперометрическим методом. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.
Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений.
Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).
Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод.
Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Современные системы измерения показателей pH, pO2

2016-04-04T10:50:02Z

С.Ефремов: Новая страница: «Способы измерения показателей pH ([https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0…»

Биосенсоры

2016-01-21T14:57:47Z

С.Ефремов:

'''Биосенсоры''' — это аналитические приборы, в которых для определения химических соединений используются реакции этих соединений, проходящие в органеллах, клетках или тканях. Таким образом, биосенсоры являются структурами, указывающими на присутствие определенных молекул или биологических структур в исследуемых пробах, а также определяющими количество присутствующего в них искомого вещества. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных веществ. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно определить концентрацию нужного соединения (например, глюкозы). Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Биосенсоры обеспечивают такую возможность.

Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живого организма — рецепторами, способными преобразовывать разные типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в электрические. Наибольшее распространение сейчас получили биосенсоры на основе ферментов.

Основными характеристиками, позволяющими биосенсорному анализу успешно конкурировать с традиционными методами, являются оперативность анализа, высокая специфичность и чувствительность при низкой стоимости, отсутствие необходимости использовать дорогостоящую аппаратуру и квалифицированный персонал.

== Состав биосенсоров ==
Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, (называемый рансдьюсер) реобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

Биосенсоры состоят из трёх частей:

''биоселективного элемента'' (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, и т.д.), материал биологического происхождения или биомимик). Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

''преобразователя'' (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т.д.), который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

''связанная электроника'', которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.

== Классификация биосенсоров ==
Существует много принципов классификации биосенсоров, исходящих из природы биохимического компонента, преобразователя сигнала, аналитических задач, особенностей генерируемого сигнала и областей потенциального применения.
Наиболее важные классификации:

''по биохимическому компоненту'': ферментные сенсоры, иммуносенсоры, ДНК-сенсоры, сенсоры на основе микроорганизмов и клеточных тканей, сенсоры на основе надмолекулярных клеточных структур;
''по способу измерения сигнала'': электрохимические, оптические, физические, гибридные;
''по сигналу'': динамические (кинетические), стационарные (равновесные);
''по области применения'': экология, медицина, биотехнология, пищевая промышленность.

''Классификация по биохимическому компоненту:''

'''''Ферментные сенсоры''''' включают чистые препараты фермента или биологические препараты (гомогены тканей или микробных культур), проявляющие определенную биологическую активность.

'''''Иммуносенсоры''''' в качестве биохимического рецептора используют иммуноглобулины - защитные белки, выделяемые иммунной системой организма в ответ на поступление чужеродных биологических соединений (антигенов).

'''''ДНК-сенсоры''''' включают в качестве биохимического компонента нуклеиновые кислоты (ДНК).

'''''Микробные биосенсоры''''' используют микроорганизмы, которые могут осуществлять превращение определенного вещества с помощью ферментов. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что в превращении субстрата могут участвовать не один, а совокупность ферментов.

'''''Биосенсоры на основе надмолекулярных структур клетки''''' занимают промежуточное положение между ферментными и ДНК-сенсорами и микробными сенсорами, поскольку в их основе применяют внутриклеточные структуры, имеющие достаточно сложное иерархическое строение.

''Классификация по способу измерения:''

'''''Электрохимические биосенсоры''''' работают по принципу измерения электрического тока, возникающего в результате окисления или восстановления электрохимически активных веществ на поверхности рабочего электрода (амперометри-
ческие биосенсоры) или на измерении разности потенциалов между двумя электродами – рабочим и электродом сравнения при постоянном токе (потенциометрические биосенсоры).

'''''Пьезоэлектрические биосенсоры''''' чувствительны к изменению массы на поверхности физического носителя (гравиметрические биосенсоры); плотности, вязкости среды, частоты колебаний акустических волн.

'''''Оптические биосенсоры''''' реагируют не на химическое взаимодействие определяемого компонента с чувствительным элементом, а на физическо-оптические параметры – интенсивностью поглощения, отражения света, люминесценции объекта и т.д.

== Методы работы преобразователей в биосенсорах ==
'''Метод безреагентных электродов'''
[[Файл:mbe.png|thumb|right|Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы]]

Безреагентные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Он представляет собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Прохождение ферментной реакции на поверхности электрода приводит к изменению потенциала на самом электроде, что регистрируется устройством как информационный сигнал.

'''Метод ферментной микрокалориметрии'''
[[Файл:mfm.jpg|thumb|right|Схема работы ферментного датчика]]

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

'''Метод хемилюминесценции'''
[[Файл:mh.png|thumb|right|Схема работы хемилюминесцентного датчика]]

Хемолюминесцентные датчики — регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами и светопринимающее устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью. Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.

== Клеточные биосенсоры ==
Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом полезных свойств:
1) Клетки являются доступным и дешевым биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, но наибольшее применение нашли клетки микроорганизмов.
2) Культивируемые клетки легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспечения. Это позволяет проводить сложные последовательные реакции, осуществляя многостадийные процессы.
3) Клетки обладают высокой специфичностью к определенным веществам, наличие или отсутствие которых приводит к изменению свойств клеток, что в дальнейшем регистрируется разными способами

Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие немногим менее 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некоторых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и активность ферментных систем в течение нескольких лет.

== Примеры промышленного применения биосенсоров ==
'''Применение биосенсоров в пищевой промышленности'''

Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта.

'''Использование биосенсоров в медицине'''

В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу. Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей. Т.к. многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла то для их определения также можно воспользоваться биосенсорами. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

Самый известный пример медицинского биосенсора — это биосенсор для измерения уровня глюкозы в крови, в котором используется фермент глюкозоксидаза для расщепления содержащейся в крови глюкозы. В процессе расщепления фермент сначала окисляет глюкозу и использует два электрона для восстановления ФАД (компонент фермента) в ФАДН2, который, в свою очередь, окисляется в несколько ступеней электродом. Результирующий ток пропорционален концентрации глюкозы. В этом случае, электрод является преобразователем, а фермент — биоселективным элементом.

== Перспективы развития биосенсорных технологий ==
Предполагается, что в будущем биосенсоры будут широко применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений). Во всех этих сферах использования биосенсоров увеличивается ежегодно примерно на 30%.

В целом современная биосенсорная техника развивается исключительно быстрыми темпами; созданы биосенсоры для определения более 100 различных веществ.

== Ссылки на источники информации ==
[https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80 Биосенсор - Википедиа]

[http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article589 Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов]

[http://old.kpfu.ru/f7/bin_files/chem0019.pdf Основы биосенсорики]

[http://journal.microbe.ru/ru/articles/biosensory-sovremennoe-sostoyanie-i-perspektivy-primeneniya-v-laboratornoy-diagnostike Биосенсоры: современное состояние и перспективы применения в лабораторной диагностике особо опасных инфекционных болезней]

Биосенсоры

2016-01-21T14:53:53Z

С.Ефремов:

'''Биосенсоры''' — это аналитические приборы, в которых для определения химических соединений используются реакции этих соединений, проходящие в органеллах, клетках или тканях. Таким образом, биосенсоры являются структурами, указывающими на присутствие определенных молекул или биологических структур в исследуемых пробах, а также определяющими количество присутствующего в них искомого вещества. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных веществ. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно определить концентрацию нужного соединения (например, глюкозы). Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Биосенсоры обеспечивают такую возможность.

Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живого организма — рецепторами, способными преобразовывать разные типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в электрические. Наибольшее распространение сейчас получили биосенсоры на основе ферментов.

Основными характеристиками, позволяющими биосенсорному анализу успешно конкурировать с традиционными методами, являются оперативность анализа, высокая специфичность и чувствительность при низкой стоимости, отсутствие необходимости использовать дорогостоящую аппаратуру и квалифицированный персонал.

== Состав биосенсоров ==
Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, (называемый рансдьюсер) реобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

Биосенсоры состоят из трёх частей:

''биоселективного элемента'' (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, и т.д.), материал биологического происхождения или биомимик). Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

''преобразователя'' (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т.д.), который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

''связанная электроника'', которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.

== Классификация биосенсоров ==
Существует много принципов классификации биосенсоров, исходящих из природы биохимического компонента, преобразователя сигнала, аналитических задач, особенностей генерируемого сигнала и областей потенциального применения.
Наиболее важные классификации:

''по биохимическому компоненту'': ферментные сенсоры, иммуносенсоры, ДНК-сенсоры, сенсоры на основе микроорганизмов и клеточных тканей, сенсоры на основе надмолекулярных клеточных структур;
''по способу измерения сигнала'': электрохимические, оптические, физические, гибридные;
''по сигналу'': динамические (кинетические), стационарные (равновесные);
''по области применения'': экология, медицина, биотехнология, пищевая промышленность.

''Классификация по биохимическому компоненту:''

'''''Ферментные сенсоры''''' включают чистые препараты фермента или биологические препараты (гомогены тканей или микробных культур), проявляющие определенную биологическую активность.

'''''Иммуносенсоры''''' в качестве биохимического рецептора используют иммуноглобулины - защитные белки, выделяемые иммунной системой организма в ответ на поступление чужеродных биологических соединений (антигенов).

'''''ДНК-сенсоры''''' включают в качестве биохимического компонента нуклеиновые кислоты (ДНК).

'''''Микробные биосенсоры''''' используют микроорганизмы, которые могут осуществлять превращение определенного вещества с помощью ферментов. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что в превращении субстрата могут участвовать не один, а совокупность ферментов.

'''''Биосенсоры на основе надмолекулярных структур клетки''''' занимают промежуточное положение между ферментными и ДНК-сенсорами и микробными сенсорами, поскольку в их основе применяют внутриклеточные структуры, имеющие достаточно сложное иерархическое строение.

''Классификация по способу измерения:''

'''''Электрохимические биосенсоры''''' работают по принципу измерения электрического тока, возникающего в результате окисления или восстановления электрохимически активных веществ на поверхности рабочего электрода (амперометри-
ческие биосенсоры) или на измерении разности потенциалов между двумя электродами – рабочим и электродом сравнения при постоянном токе (потенциометрические биосенсоры).

'''''Пьезоэлектрические биосенсоры''''' чувствительны к изменению массы на поверхности физического носителя (гравиметрические биосенсоры); плотности, вязкости среды, частоты колебаний акустических волн.

'''''Оптические биосенсоры''''' реагируют не на химическое взаимодействие определяемого компонента с чувствительным элементом, а на физическо-оптические параметры – интенсивностью поглощения, отражения света, люминесценции объекта и т.д.

== Методы работы преобразователей в биосенсорах ==
'''Метод безреагентных электродов'''
[[Файл:mbe.png|200px|thumb|right|описание]]

Безреагентные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Он представляет собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Прохождение ферментной реакции на поверхности электрода приводит к изменению потенциала на самом электроде, что регистрируется устройством как информационный сигнал.

'''Метод ферментной микрокалориметрии'''
[[Файл:mfm.jpg|200px|thumb|right|описание]]

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

'''Метод хемилюминесценции'''
[[Файл:mh.png|200px|thumb|right|описание]]

Хемолюминесцентные датчики — регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами и светопринимающее устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью. Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.

== Клеточные биосенсоры ==
Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом полезных свойств:
1) Клетки являются доступным и дешевым биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, но наибольшее применение нашли клетки микроорганизмов.
2) Культивируемые клетки легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспечения. Это позволяет проводить сложные последовательные реакции, осуществляя многостадийные процессы.
3) Клетки обладают высокой специфичностью к определенным веществам, наличие или отсутствие которых приводит к изменению свойств клеток, что в дальнейшем регистрируется разными способами

Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие немногим менее 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некоторых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и активность ферментных систем в течение нескольких лет.

== Примеры промышленного применения биосенсоров ==
'''Применение биосенсоров в пищевой промышленности'''

Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта.

'''Использование биосенсоров в медицине'''

В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу. Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей. Т.к. многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла то для их определения также можно воспользоваться биосенсорами. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

Самый известный пример медицинского биосенсора — это биосенсор для измерения уровня глюкозы в крови, в котором используется фермент глюкозоксидаза для расщепления содержащейся в крови глюкозы. В процессе расщепления фермент сначала окисляет глюкозу и использует два электрона для восстановления ФАД (компонент фермента) в ФАДН2, который, в свою очередь, окисляется в несколько ступеней электродом. Результирующий ток пропорционален концентрации глюкозы. В этом случае, электрод является преобразователем, а фермент — биоселективным элементом.

== Перспективы развития биосенсорных технологий ==
Предполагается, что в будущем биосенсоры будут широко применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений). Во всех этих сферах использования биосенсоров увеличивается ежегодно примерно на 30%.

В целом современная биосенсорная техника развивается исключительно быстрыми темпами; созданы биосенсоры для определения более 100 различных веществ.

== Ссылки на источники информации ==
[https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80 Биосенсор - Википедиа]

[http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article589 Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов]

[http://old.kpfu.ru/f7/bin_files/chem0019.pdf Основы биосенсорики]

[http://journal.microbe.ru/ru/articles/biosensory-sovremennoe-sostoyanie-i-perspektivy-primeneniya-v-laboratornoy-diagnostike Биосенсоры: современное состояние и перспективы применения в лабораторной диагностике особо опасных инфекционных болезней]

Файл:Mh.png

2016-01-21T14:16:28Z

С.Ефремов: Схема работы хемилюминесцентного датчика

Схема работы хемилюминесцентного датчика

Файл:Mfm.jpg

2016-01-21T14:15:48Z

С.Ефремов: Схема работы ферментного датчика

Схема работы ферментного датчика

Файл:Mbe.png

2016-01-21T14:14:53Z

С.Ефремов: Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы

Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы

Биосенсоры

2016-01-21T14:10:40Z

С.Ефремов:

'''Биосенсоры''' — это аналитические приборы, в которых для определения химических соединений используются реакции этих соединений, проходящие в органеллах, клетках или тканях. Таким образом, биосенсоры являются структурами, указывающими на присутствие определенных молекул или биологических структур в исследуемых пробах, а также определяющими количество присутствующего в них искомого вещества. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных веществ. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно определить концентрацию нужного соединения (например, глюкозы). Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Биосенсоры обеспечивают такую возможность.

Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живого организма — рецепторами, способными преобразовывать разные типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в электрические. Наибольшее распространение сейчас получили биосенсоры на основе ферментов.

Основными характеристиками, позволяющими биосенсорному анализу успешно конкурировать с традиционными методами, являются оперативность анализа, высокая специфичность и чувствительность при низкой стоимости, отсутствие необходимости использовать дорогостоящую аппаратуру и квалифицированный персонал.

== Состав биосенсоров ==
Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, (называемый рансдьюсер) реобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

Биосенсоры состоят из трёх частей:

''биоселективного элемента'' (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, и т.д.), материал биологического происхождения или биомимик). Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

''преобразователя'' (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т.д.), который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

''связанная электроника'', которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.

== Классификация биосенсоров ==
Существует много принципов классификации биосенсоров, исходящих из природы биохимического компонента, преобразователя сигнала, аналитических задач, особенностей генерируемого сигнала и областей потенциального применения.
Наиболее важные классификации:

''по биохимическому компоненту'': ферментные сенсоры, иммуносенсоры, ДНК-сенсоры, сенсоры на основе микроорганизмов и клеточных тканей, сенсоры на основе надмолекулярных клеточных структур;
''по способу измерения сигнала'': электрохимические, оптические, физические, гибридные;
''по сигналу'': динамические (кинетические), стационарные (равновесные);
''по области применения'': экология, медицина, биотехнология, пищевая промышленность.

''Классификация по биохимическому компоненту:''

'''''Ферментные сенсоры''''' включают чистые препараты фермента или биологические препараты (гомогены тканей или микробных культур), проявляющие определенную биологическую активность.

'''''Иммуносенсоры''''' в качестве биохимического рецептора используют иммуноглобулины - защитные белки, выделяемые иммунной системой организма в ответ на поступление чужеродных биологических соединений (антигенов).

'''''ДНК-сенсоры''''' включают в качестве биохимического компонента нуклеиновые кислоты (ДНК).

'''''Микробные биосенсоры''''' используют микроорганизмы, которые могут осуществлять превращение определенного вещества с помощью ферментов. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что в превращении субстрата могут участвовать не один, а совокупность ферментов.

'''''Биосенсоры на основе надмолекулярных структур клетки''''' занимают промежуточное положение между ферментными и ДНК-сенсорами и микробными сенсорами, поскольку в их основе применяют внутриклеточные структуры, имеющие достаточно сложное иерархическое строение.

''Классификация по способу измерения:''

'''''Электрохимические биосенсоры''''' работают по принципу измерения электрического тока, возникающего в результате окисления или восстановления электрохимически активных веществ на поверхности рабочего электрода (амперометри-
ческие биосенсоры) или на измерении разности потенциалов между двумя электродами – рабочим и электродом сравнения при постоянном токе (потенциометрические биосенсоры).

'''''Пьезоэлектрические биосенсоры''''' чувствительны к изменению массы на поверхности физического носителя (гравиметрические биосенсоры); плотности, вязкости среды, частоты колебаний акустических волн.

'''''Оптические биосенсоры''''' реагируют не на химическое взаимодействие определяемого компонента с чувствительным элементом, а на физическо-оптические параметры – интенсивностью поглощения, отражения света, люминесценции объекта и т.д.

== Методы работы преобразователей в биосенсорах ==
'''Метод безреагентных электродов'''

Безреагентные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Он представляет собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Прохождение ферментной реакции на поверхности электрода приводит к изменению потенциала на самом электроде, что регистрируется устройством как информационный сигнал.

'''Метод ферментной микрокалориметрии'''

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

'''Метод хемилюминесценции'''

Хемолюминесцентные датчики — регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами и светопринимающее устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью. Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.

== Клеточные биосенсоры ==
Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом полезных свойств:
1) Клетки являются доступным и дешевым биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, но наибольшее применение нашли клетки микроорганизмов.
2) Культивируемые клетки легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспечения. Это позволяет проводить сложные последовательные реакции, осуществляя многостадийные процессы.
3) Клетки обладают высокой специфичностью к определенным веществам, наличие или отсутствие которых приводит к изменению свойств клеток, что в дальнейшем регистрируется разными способами

Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие немногим менее 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некоторых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и активность ферментных систем в течение нескольких лет.

== Примеры промышленного применения биосенсоров ==
'''Применение биосенсоров в пищевой промышленности'''

Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта.

'''Использование биосенсоров в медицине'''

В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу. Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей. Т.к. многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла то для их определения также можно воспользоваться биосенсорами. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

Самый известный пример медицинского биосенсора — это биосенсор для измерения уровня глюкозы в крови, в котором используется фермент глюкозоксидаза для расщепления содержащейся в крови глюкозы. В процессе расщепления фермент сначала окисляет глюкозу и использует два электрона для восстановления ФАД (компонент фермента) в ФАДН2, который, в свою очередь, окисляется в несколько ступеней электродом. Результирующий ток пропорционален концентрации глюкозы. В этом случае, электрод является преобразователем, а фермент — биоселективным элементом.

== Перспективы развития биосенсорных технологий ==
Предполагается, что в будущем биосенсоры будут широко применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений). Во всех этих сферах использования биосенсоров увеличивается ежегодно примерно на 30%.

В целом современная биосенсорная техника развивается исключительно быстрыми темпами; созданы биосенсоры для определения более 100 различных веществ.

== Ссылки на источники информации ==
[https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80 Биосенсор - Википедиа]

[http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article589 Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов]

[http://old.kpfu.ru/f7/bin_files/chem0019.pdf Основы биосенсорики]

[http://journal.microbe.ru/ru/articles/biosensory-sovremennoe-sostoyanie-i-perspektivy-primeneniya-v-laboratornoy-diagnostike Биосенсоры: современное состояние и перспективы применения в лабораторной диагностике особо опасных инфекционных болезней]

Биосенсоры

2016-01-21T11:55:22Z

С.Ефремов:

Биосенсоры

2016-01-21T11:39:27Z

С.Ефремов:

Биосенсоры

2016-01-21T11:31:04Z

С.Ефремов:

Биосенсоры

2016-01-20T13:33:40Z

С.Ефремов:

Биосенсоры

2016-01-18T17:04:57Z

С.Ефремов:

Здесь нужно набрать текст

Например
[https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80 заголовок ссылки]