ماذا تعرف عن المستشعرات الكهروكيميائية؟

المستشعر الكهروكيميائي هو نوع من المستشعرات يعتمد على الخصائص الكهروكيميائية للمادة محل التحليل لتحويل الكمية الكيميائية إلى كمية كهربائية للكشف والاستشعار.

تعود أقدم المستشعرات الكهروكيميائية إلى الخمسينيات من القرن الماضي، عندما كانت تُستخدم لمراقبة الأكسجين. وأما في الثمانينيات، فقد استُخدمت لمراقبة مجموعة واسعة من الغازات السامة وأظهرت حساسية وانتقاء جيدين.

ⅰ. مبدأ عمل المستشعر الكهروكيميائي

يعمل المستشعر الكهروكيميائي عن طريق التفاعل الكيميائي مع الغاز الذي يتم قياسه وإنتاج إشارة كهربائية تناسب تركيز الغاز. معظم مستشعرات الغاز الكهروكيميائية تولد تيارًا يتناسب طرديًا مع تركيز الغاز.

يعمل المستشعر الكهروكيميائي للغازات على النحو التالي: تمر جزيئات الغاز المستهدف أولاً عبر غشاء يمنع التكثيف ويعمل أيضًا كحاجز للغبار. ثم تتوزع جزيئات الغاز عبر أنبوب مسامي، وقد تمر عبر مرشح لاحق، وبعد ذلك عبر غشاء هيدروفوبي إلى سطح الكاثود الحساس. هناك يتم أكسدة الجزيئات فوراً أو تخفيضها، مما يؤدي إلى إنتاج أو استهلاك الإلكترونات وبالتالي توليد تيار كهربائي.

من المهم ملاحظة أن كمية جزيئات الغاز التي تدخل المستشعر بهذه الطريقة محدودة بسبب الانتشار عبر الرأسية. من خلال تحسين المسار، يتم الحصول على إشارة كهربائية مناسبة وفقًا لمدى القياس المطلوب. تصميم الكاثود الحساس ضروري لتحقيق استجابة عالية للغاز المستهدف وقمع الاستجابات غير المرغوب فيها للغازات المتدخلة. يتضمن نظام ثلاثي المراحل للمواد الصلبة والسوائل والغازات، وكلها تتضمن تحديدًا كيميائيًا للغاز التحليلي. يكتمل الخلية الكهروكيميائية بواسطة ما يسمى بالكاثود المقابل، الكاثود Cont، الذي يوازن التفاعل عند الكاثود الحساس. التيار الأيوني بين الكاثود Cont والكاثود Sen يُنقل بواسطة الإلك داخل جسم المستشعر، بينما يتم توفير مسار التيار عبر سلك ينتهي بموصل بن. غالبًا ما يُشتمل كاثود ثالث في المستشعرات الكهروكيميائية (مستشعرات ثلاثية الكاثود). يستخدم ما يسمى بكاثود المرجع لحفظ قيمة الإمكان عند الكاثود الحساس عند قيمة ثابتة. لهذا الغرض، ولتشغيل المستشعرات الكهروكيميائية عادةً، يتطلب الأمر دائرة إمكان ثابت.

ⅱ. مكونات مستشعر كهروكيميائي

يشمل المستشعر الكهروكيميائي الأربعة مكونات رئيسية التالية:

1. الأغشية القابلة للتنفس (وتشتهر أيضًا بالأغشية الهيدروفوبية): تُستخدم هذه الأغشية لتغطية الأقطاب الكهربائية الحساسة (الكيميائية) وفي بعض الحالات تنظيم وزن الجزيئات للغازات التي تصل إلى سطح القطب. عادةً ما يتم تصنيع هذه الأغشية من أفلام تيفلون ذات مسامية منخفضة. عندما تُستخدم هذه الأغشية لتغطية الأقطاب، يُشار إلى المستشعرات باسم مستشعرات مطلية. بديلًا لذلك، يمكن استخدام فيلم تيفلون ذي مسامية عالية مع قنطرة لتنظيم وزن الجزيئات للغاز الذي يصل إلى سطح القطب. يُعرف هذا الترتيب باسم مستشعر نوع القنطرة. بالإضافة إلى توفير الحماية الميكانيكية للمستشعر، يعمل الفيلم أيضًا كمرشح، مما يزيل الجسيمات غير المرغوب فيها. لضمان السماح بالوزن الجزيئي المناسب للغاز بالمرور، من الضروري اختيار حجم الفتحة المناسب لكل من الغشاء والقنطرة. يجب أن يسمح حجم الفتحة بعدد كافٍ من جزيئات الغاز للوصول إلى القطب الحساس ومنع تسرب أو جفاف سريع للإلكتروليت السائل.

2. الكاثود: من الضروري اختيار مادة الكاثود بعناية. يجب أن تكون المادة قادرة على التحفيز وتنفيذ تفاعل شبه كهربائي لفترة طويلة. عادةً ما يتم تصنيع الكاثودات من المعادن النفيسة، مثل البلاتين أو الذهب، والتي تتفاعل بكفاءة مع جزيئات الغاز من خلال التحفيز. بناءً على تصميم المستشعر، قد يتم تصنيع الثلاثة كاثودات من مواد مختلفة لتسهيل تفاعل التحلية الكهربائية.

3. المحلول الكهربائي: يجب أن يكون قادرًا على تسهيل التفاعلات الكهربائية وتحويل الشحنة الأيونية إلى الكاثود بكفاءة. كما يجب أن يشكل مع الكاثود المرجعي إمكانية إنتاج طاقة ثابتة وأن يكون متوافقًا مع المواد المستخدمة داخل المستشعر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي تبخر سريع للمحلول الكهربائي إلى ضعف إشارة المستشعر، مما قد يؤثر على دقة وموثوقية المستشعر.

4. مرشحات: أحيانًا، يتم وضع مرشحات غسالة الهواء أمام المستشعر لاستبعاد الغازات غير المرغوب فيها. الخيارات المتوفرة للمرشحات محدودة، حيث يظهر كل نوع بمستوى مختلف من الكفاءة. يعتبر الفحم المنشط المادة الأكثر استخدامًا كمرشح، حيث يقوم بتنقية معظم المواد الكيميائية باستثناء أول أكسيد الكربون. من خلال اختيار وسائط الترشيح المناسبة بعناية، يمكن للمستشعرات الكهروكيميائية تحقيق تحديد أعلى للاختيارية تجاه الغازات المستهدفة.

ⅲ. تصنيف المستشعر الكهروكيميائي

هناك العديد من الطرق لتصنيف المستشعرات الكهروكيميائية. بناءً على إشاراتهم الخرج المختلفة، يمكن تقسيمها إلى مستشعرات جهدية، مستشعرات أمبيرية، ومستشعرات توصيلية.

وفقًا للمواد التي يكتشفها المستشعرات الكهروكيميائية، يمكن تصنيف المستشعرات الكهروكيميائية بشكل رئيسي إلى مستشعرات الأيونات، مستشعرات الغازات، والمستشعرات البيولوجية.

ⅳ. الخصائص الرئيسية والعوامل المؤثرة

1. الحساسية

العوامل الرئيسية التي تؤثر على الحساسية تشمل: نشاط المحفز، امتصاص الهواء، موصلية الكهروlyte، ودرجة حرارة المحيط.

استعادة الاستجابة

العوامل الرئيسية التي تؤثر على سرعة استعادة الاستجابة هي نشاط المحفز، موصلية الكهروliyte، بنية غرفة الغاز، خصائص الغاز، وما إلى ذلك.

الاختيارية/التداخل المتقاطع

تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على الاختيارية نوع المحفز، الكهروliyte، الجهد المائل، المرشح، وما إلى ذلك.

تكرار القابلية/استقرار طويل الأمد

تشمل عوامل التأثير على التكرار: استقرار بنية الأقطاب، استقرار الكهروliyte، استقرار الدائرة الغازية، وما إلى ذلك.

الأداء في درجات الحرارة العالية والمنخفضة

تشمل عوامل التأثير على الاستقرار في درجات الحرارة العالية والمنخفضة: نشاط المحفز، استقرار بنية الأقطاب، وخصائص الغاز.

V. أربع تطبيقات رئيسية لمستشعرات الكهروكيميائية

تُستخدم أجهزة استشعار الكهروكيميائية على نطاق واسع في مجالات الكشف عن الغاز في الصناعات والمدن، ويمكنها الكشف عن الأوزون والفورمالدهيد وأول أكسيد الكربون وال Ammo尼亚 وكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد النيتروجين والأكسجين وغيرها من الغازات، وتُستخدم عادةً في الأدوات المحمولة وفي أجهزة مراقبة الغاز عبر الإنترنت.

1. مجس الرطوبة

الرطوبة هي مؤشر مهم لمحيط الهواء، هناك علاقة وثيقة بين رطوبة الهواء وجسم الإنسان من حيث تبخر الحرارة. في درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية، يواجه جسم الإنسان صعوبة في تبخر الماء مما يجعله يشعر بالاختناق. أما في درجات الحرارة المنخفضة والرطوبة العالية، فإن عملية فقدان الحرارة من الجسم تكون شديدة، مما يسهل الإصابة بنزلات البرد أو التجمد. أنسب درجة حرارة لجسم الإنسان تتراوح بين 18-22℃، والرطوبة النسبية تتراوح بين 35% إلى 65% RH. وفي مراقبة البيئة والصحة، يتم استخدام أدوات مثل مقياس الرطوبة ذو البلور الرطب، ومقياس الرطوبة اليدوي، ومقياس الرطوبة مع التهوية وغيرها لتحديد رطوبة الهواء.

في السنوات الأخيرة، كان هناك عدد كبير من التقارير الأدبية حول استخدام المستشعرات لتحديد رطوبة الهواء. يتم تصنيع بلورات الكوارتز البيزوكهربائية المطلية المستخدمة لتحديد الرطوبة النسبية كبلورات صغيرة بيزيوكهربائية باستخدام تقنيات التصوير الضوئي والنقش الكيميائي، وتُطلى أربع مواد على بلورات الكوارتز ذات التردد 10 ميجاهرتز المقطوعة بطريقة AT، والتي تتميز بحساسية كتلة عالية للرطوبة. البلورة تعمل كمذبذب في دائرة اهتزازية يتغير ترددها مع الكتلة، وباختيار الطلاء المناسب، يمكن استخدام المستشعر لتحديد الرطوبة النسبية لغازات مختلفة. تعتمد حساسية المستشعر، وخطية الاستجابة، ووقت الاستجابة، واختيارية المادة، والتآكل والاستجابة العكسية وعمر المستشعر الافتراضي على طبيعة المواد الكيميائية المطلية.

مستشعر أكاسيد النيتروجين

أكسيد النيتروجين هو نوع من أكاسيد النيتروجين المكونة من خليط من الغازات، ويُعبر عنه غالبًا بـ NOX. في أكسيد النيتروجين، تختلف الاستقرار الكيميائي لأنواع مختلفة من أكاسيد النيتروجين. يُ划َق عادة إلى أول أكسيد النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين بناءً على استقرارهما الكيميائي النسبي. تبدو أهميتهما الصحية أكثر أهمية مقارنة بالأشكال الأخرى من أكاسيد النيتروجين.

في تحليل البيئة، يشير أكسيد النيتروجين عادةً إلى ثاني أكسيد النيتروجين. طريقة المعايرة القياسية في الصين لمراقبة أكاسيد النيتروجين هي الطريقة اللونية لنفتالين إيثيلين دي أمين هيدروكلورايد، حساسية هذه الطريقة هي 0.25 ميكروغرام/5 مل، معامل التحويل لهذه الطريقة يتأثر بتكوين محلول الامتصاص، تركيز ثاني أكسيد النيتروجين، سرعة جمع الغاز، بنية أنبوب الامتصاص، وجود الأيونات المشتركة والحرارة والعوامل الأخرى، ولا يتم توحيدها بالكامل. تحديد المستشعر هو طريقة جديدة تم تطويرها في السنوات الأخيرة.

3- مستشعر غاز الكبريتيد الهيدروجيني

ثاني أكسيد الكبريت هو غاز لونه أبيض، قابل للاشتعال، له رائحة بيض فاسد مميزة، وهو مهيّج وخانق ويضر بالجسم البشري. تستخدم معظم الطرق التحليل الحراري والكروماتوغرافيا الغازية لتحديد ثاني أكسيد الكبريت في الهواء. يعتبر تحديد الملوثات الجوية التي تكون كميتها غالباً منخفضة بمستوى الميليجرام لكل متر مكعب من بين التطبيقات الرئيسية لأجهزة استشعار الغاز، لكن أجهزة استشعار الغاز شبه الموصلة لا تستطيع أن تلبي متطلبات الحساسية واختيارية مراقبة بعض غازات الملوثات خلال فترة زمنية قصيرة.

يتكون مجموعة المستشعرات الرقيقة المُضاف إليها الفضة من أربعة مستشعرات تسجل تركيزات ثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكبريت باستخدام محلل عام يستند إلى التنقيط الكولومتري وإشارات مجموعة مستشعرات الغاز شبه الموصلة. أثبتت التجارب أن المستشعرات الرقيقة المُضاف إليها الفضة المستخدمة عند 150 °C بطريقة ثابتة درجة الحرارة فعالة لمراقبة محتوى ثاني أكسيد الكبريت في الهواء الحضري.

4. جهاز استشعار ثاني أكسيد الكبريت

يعد ثاني أكسيد الكبريت من المواد الرئيسية التي تلوث الهواء، ورصد ثاني أكسيد الكبريت في الهواء هو جزء روتيني من اختبارات الهواء. وقد أظهرت تطبيقات المستشعرات في مراقبة ثاني أكسيد الكبريت تفوقًا كبيرًا، بدءًا من اختصار وقت الكشف إلى خفض حدود الكشف. يتم استخدام البوليمرات الصلبة كأغشية لتبادل الأيونات، حيث تحتوي إحدى جهات الغشاء على مواد كهروlyte داخلية للأقطاب المرجعية والمقابلة، ويتم إدراج قطب من البلاتين على الجهة الأخرى لتشكيل مستشعر ثاني أكسيد الكبريت. يتم تركيب المستشعر في خلية تدفق ويُكَسِّب ثاني أكسيد الكبريت عند جهد 0.65V. ثم يتم الإشارة إلى محتوى ثاني أكسيد الكبريت. يعرض الجهاز الحساسية التيار العالي، وقت استجابة قصير، استقرار جيد، ضوضاء خلفية منخفضة، نطاق خطي يصل إلى 0.2 مليمول/لتر، حد اكتشاف 8*10-6 مليمول/لتر، ونسبة إشارة إلى الضوضاء تبلغ 3.

يمكن للجهاز الحسي أن يكتشف ليس فقط ثاني أكسيد الكبريت في الهواء، ولكن يمكن استخدامه أيضًا للكشف عن ثاني أكسيد الكبريت في السوائل ذات التوصيلية الكهربائية المنخفضة. تم تصنيع طبقة الطلاء الحساسة للغاز المستخدمة في جهاز استشعار ثاني أكسيد الكبريت من فيلم رقيق معدّل عضويًا باستخدام عملية sol-gel وتقنية الدوران. تظهر هذه الطبقة قابلية ممتازة للتكرار والعكسية في تحديد ثاني أكسيد الكبريت، مع زمن استجابة سريع يقل عن 20 ثانية. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تظهر تفاعلًا ضئيلًا مع الغازات الأخرى وتتأثر بشكل طفيف بالتغيرات في درجة الحرارة والرطوبة.