مهندسی پزشکی

بنابر نوشته ی مجله انجمن پزشکی آمریکا Journal of American Medical Association، مسمومیت ناشی از منواکسید کربن علت عمده مرگ های ناشی از مسمومیت های تصادفی در ایالات متحده است. گاز منواکسیدکربن به میزان خیلی کم در هوا وجود دارد. مونواکسد کربن یا CO گازی بی بو، بی رنگ و بدون طعم است. هر مولکول CO از ترکیب یک اتم کربن و یک اتم اکسیژن بوجود میآید. این گاز در نتیجه احتراق ناقص سوختهای فسیلی مانند چوب، نفت چراغ، گازولین، زغال چوب، پروپان، گاز طبیعی و نفت ایجاد میشود.  در محیط منزل، این گاز با سوخت ناقص هر وسیله شعله دار (نه الکتریکی) مانند اجاق گاز، منقل، لباس خشک کن، بخاری، آبگرمکن، اتومبیل و موتورسیکلت و... ایجاد میشود. در این بین وسایل با شعله رو باز نظیر بخاری و فر خوراک پزی و اتوموبیل و موتور سیکلت عمده ترین علت مسمویت ناشی از گاز مونواکسید کربن هستند. بخاری و آبگرمکن نیز از جمله منابع این گازند، ولی با کمک لوله ی مناسب میتوان گاز ناشی از احتراق را به خارج از منزل هدایت کرد. هنگامی که مونو اکسید کربن استنشاق میشود با عبور از شش ها وارد مولکولهای هموگلوبین سلولهای قرمز خون شده ، پیوند بسیار محکمی با اتمهای آهن خون ایجاد میکند. قدرت جذب بین CO و هموگلوبین 200 بار قویتر از هموگلوبین و اکسیژن است. گاز با محدود کردن رسیدن اکسیژن به هموگلوبین آنرا محصور و "کربوکسی هموگلوبین" را تشکیل میدهد. کربوکسی هموگلوبین از انتقال اکسیژن در خون جلوگیری و توانایی سلولهای قرمز خون را تغییر می دهد. در نتیجه بدن دچار کمبود اکسیژن و ضایعه بافتی و در نهایت مرگ میشود. مسمومیت با مقدار اندک این گاز علائمی شبیه سرماخوردگی دارد: تنگی نفس، سردرد، و دل آشوبی. مقدار بیشتر این گاز سبب سرگیجه، گم گشتگی ذهنی، سردرد شدید، تهوع و ضعف قوای جسمی میشود. افزایش بیشتر استنشاق گاز موجب بیهوشی، ضایعات مغزی دائمی، و نهایتاً مرگ میشود. نوزادان، کودکان، زنان آبستن، افراد با بیماریهای مزمن خونی و تنفسی و سالخوردگان آسیب پذیرترین افراد در برابر این گاز هستند. بر اساس استانداردهای ارائه شده توسط موسسه اجرایی سلامت و بهداشت HSE (Health and Safety Executive) میزان مجاز  CO در محیط باید کمتر از 50ppm باشد. مقدار 200ppm از این گاز ظرف 2 تا 3 ساعت باعث سردرد میشود. میزان 400ppm از گاز CO ظرف 1 تا 2 ساعت باعث سردرد در پیشانی و سپس گسترش آن در تمام نواحی سر در 3 ساعت میشود. مقدار 800ppm از این گاز طی 45 دقیقه باعث گیجی، تهوع و تشنج و بعد از 2 ساعت باعث بی حسی و بیهوشی میشود. اکنون در بسیاری از بخشهای منازل مجتمع های مسکونی دتکتورهای CO نصب شده اند تا میزان CO ی موجود در هوا را تعیین و در صورت رسیدن به مقدار تعیین شده – معمولاً 300 تا 350ppm – آلارم دهند. این آشکارسازها بکلی با دتکتورهای دود Smoke Detectors متفاوتند و نمی توان آنها را بجای یکدیگر بکاربرد. نوع تجاری دتکتور دود و CO نیز اکنون در یک بسته بندی در بازار عرضه میشود.  شکل یک - آشکارساز CO قیمت آشکار ساز CO در حدود 20 تا 50 دلار است و با برق و باطری کار می کند. بسته به اینکه باطری دستگاه قابل شارژ باشد و اینکه باطری بک آپ داشته باشد یا خیر، قیمت دستگاه تغییر می کند. این وسیله را با توجه به کاتالوگ سازنده هم میتوان نزدیک سقف و هم نزدیک به کف اتاق یا هر محل مناسب دیگری نصب کرد. حتماً توجه داشته باشید که این وسیله را باید خارج از اتاق خواب نصب کنید. در بعضی از ایالات آمریکای شمالی مثل ایلی نویز، ماساچوست، مینه سوتا، نیوجرسی و ورمونت و در کانادا در اونتاریو نصب این وسیله در منازل اجباری است.   در آشکارسازهای گاز CO از یکی از سه نوع سنسور بایومیمتیک Biomimetic الکتروشیمیایی Electrochemical و نیمه هادی Semiconductor استفاده می شود و تفاوت آنها در قیمت، دقت و زمان پاسخ سنسورهای بکار رفته می باشد. از آنجاییکه بطور معمول سطح گاز CO کم کم افزایش می یابد و فاصله زیادی بین میزان ایمن و غیر ایمن غلظت گاز وجود دارد، هر سه نوع این سنسورها دارای ویژگی تقریباً یکسانی بعنوان آشکارساز گاز CO هستند. سنسورهای گاز CO هر سه تا پنج سال یکبار باید تعویض و با سنسور نو جایگزین شوند. بعلاوه آشکارساز CO باید بطور معمول هر هفته – و یا حداکثر هر ماه – یکبار تست شوند (بدین منظور دکمه تستی روی دستگاه تعبیه شده است). سنسورهای CO از نوع بایومیمتیک این سنسورها بر مبنای تاثیر گاز CO بر هموگلوبین خون از الیاف مصنوعی و شفافی با خواصی نظیر آن ساخته شده اند. در حضور گاز CO این الیاف تیره میشوند و با خروج گاز مجدداً به حالت اولیه باز میگردند. در جعبه آشکارساز محتوی این سنسورها سپس از یک سنسور نوری معمولی یا لیزر سنسور میتوان جهت تشخیص وجود و میزان گاز استفاده نمود. آَشکار سازهای CO از نوع الکتروشیمیایی این دسته از سنسورهای گاز CO در بین سایر تکنولوژیها در زمره دقیقترین نوع سنسورهای گاز CO محسوب میشوند که دارای خروجی کاملاً خطی نسبت به غلظت گاز CO بوده و توان مصرفی بسیار ناچیزی دارند. بعلاوه طول عمر این سنسورها بیش از 5 سال است. مشکل عمده تنها در قیمت این سنسورهاست که با کمک تکنولوژیهای مدرن و به روز شده تا اندازه ای کمتر شده است.   شکل دو - نمونه سنسور الکتروشیمیایی CO و منحنی پاسخ خروجی این سنسورها بصورت یک باطری تر عمل می کنند که بجای تولید برق، جریانی را تولید می کند که متناسب با غلظت گاز هدف – در این جا گاز CO – است. این سنسورها شامل محفظه ای مرکب از 2 الکترود، سیمهای اتصال و الکترولیت – معمولاً اسید سولفوریک – هستند. گاز CO در یک الکترود اکسیده شده و بصورت CO2 در میآید و در همین حین اکسیژن در الکترود دوم مصرف میشود. در نتیجه جریان الکترونی بین دو الکترود از درون الکترولیت تولید می شود که متناسب – و کاملاً خطی – با غلظت گاز CO است. سنسور نیمه هادی گاز CO   این نوع سنسورها بیشتر بر اساس دی اکسید قلع و در حضور موادی برای دوپینگ و فیلتر کردن نظیر پالادیوم و نقره بر روی بستری از جنس سرامیک یا آلومینا ساخته میشوند. کوچکی ابعاد و قیمت بسیار پایین آنها در مقایسه با دو نوع سنسور قبلی از مزایای این نوع سنسورهاست. بعلاوه ساخت این سنسورها در قالب ماسفت های حساس به گاز باعث میشود تا بتوان تعداد بسیار زیادی از این سنسورها را روی یک بستر ایجاد و همزمان روی همان بستر مدار جانبی و سیگنال کاندیشنیگ را ساخت. اکنون بینی های الکترونیکی یا E-Nose ها بر مبنای تکنولوژی MGS (MOS-Gas Sensors) برای آشکارسازی انواع گازهای تاکسیک نظیر CO رو به گسترش اند.                         شکل سه- مدار مجتمع حسگر CO  سنسورهای نیمه هادی (اکسید فلز) گاز CO – Metal Oxide CO Gas Sensor   سنسورهای گاز نیمه هادی بر اساس پدیده تغییر سطحی کار می کنند. بدین معنی که گاز هدف با اتمهای لایه ی سطحی واکنش داده سبب تغییر سطح باند انرژی از نیمه هادی به هدایت یا عایقی می شود. یکی از انواع سنسورهای بسیار مهم در تشخیص گازهای خطرناک، سنسور گاز CO است.   در این دسته از سنسورها المان حسگر لایه ی نازکی از اکسید قلع است که روی الکترودهای سنسور را پوشانده است. در حالت عادی و در محیط خلا، الکترودها هیچ نوع ارتباطی با یکدیگر نداشته و سیستم کاملاً مدار باز است. در محیط آزاد، سطح اکسید قلع باعث جذب اکسیژن و مونو اکسید کربن می شود. اکسیژن باعث محدودیت جریان الکترونها و در نتیجه افزایش مقاومت بین دو الکترود میشود. از طرف دیگر مونو اکسید کربن باعث افزایش حرکت الکترونهای سطحی در اکسید قلع شده و هدایت الکتریکی را افزایش میدهد (کاهش مقاومت الکتریکی).   شکل 1- چگونگی اثر سطحی در سنسور گاز CO   برای داشتن حداکثر حساسیت معمولاً اکسید قلع را با کلرید پالادیوم PdCl2 و اکسید منگنز MgO به نسبت 99 به 1 ترکیب می کنند. سپس به نسبت 95 به 5 به ترکیب حاصل اکسید توریوم ThO2 می افزایند. اکنون با افزودن ترکیب هایدروفیلیک سلیکا Hydrophilic Silica با نسبت 2.5 به 97.5 به آن پودری را در اختیار دارید که می توانید با افزودن Binder از آن برای چاپ فیلم ضخیم استفاده کنید.   یکی از روشهای معمول برای ساختن Binder یا اصطلاحاً چسب در این نوع سنسورها استفاده از ترکیبات ارگانیک نظیر ترکیب بتا-ترپینوئل Beta-Terpeneol، بوتیل کاربیتول استیت Butyl Carbitol Acetate و اتیل سلولز است.   پس از چاپ فیلم روی الکترودهای مربوطه و انجام پروسه Thermal Treatment در دماهای متفاوت شما سنسوری را خواهید داشت که علاوه بر CO به گاز قابل اشتعال H2 نیز حساس است. دمای کار قطعه در بهترین حالت در رطوبت 45 درصد در حدود 250 درجه سانتیگراد است. با انتخاب کاتالیست مناسب نظیر ترکیبات نقره و پالادیوم می توانید با بالاتر بردن حساسیت دمای کار را تا حدود 150 درجه کاهش دهید.   شکل 2 - پاسخ سنسور به گاز CO و CH4