Hvad ved du om elektrokemiske sensorer

Den elektrokemiske sensor er en type sensor, der afhænger af den elektrokemiske egenskab hos analyten for at konvertere den kemiske størrelse til en elektrisk størrelse til opdagelse og detektering.

De ældste elektrokemiske sensorer stammer fra 1950'erne, da de blev brugt til at overvåge syre. Og til 1980'erne, da de blev brugt til at overvåge en bred vifte af giftige gasser og viste god følsomhed og selektivitet.

ⅰ. Arbejdsprincippet for elektrokemisk sensor

Elektrokemiske sensorer fungerer ved at reagere kemisk med den målte gas og producerer et elektrisk signal, der er proportionalt med gaskoncentrationen. De fleste elektrokemiske gasensorer genererer en strøm, der er lineært proportionalt med gaskoncentrationen.

En elektrokemisk gasensor fungerer således: Målegas molekyler, der først kommer i kontakt med sensoren, går igennem en membran, der forhindre kondensering og også optræder som en støvbarriere. Herefter diffunderer gasmolekylet gennem en kapillær mulighedsvis via en efterfølgende filter og derefter gennem en hydrofob membran til overfladen af det følsomme elektrode. Her bliver molekylerne straks oxiderede eller reducerede, hvilket genererer eller forbruger elektroner og på den måde skabere en elektrisk strøm.

Det er vigtigt at notere, at mængden af gasmolekyler, der indgår i sensoren på denne måde, begrænses af diffusion gennem kapillaren. Ved at optimere vejen opnås en passende elektrisk signal i overensstemmelse med den ønskede måleområde. Designet af føleselenelekroden er afgørende for at opnå høj respons på det målrettede gas og for at undertrykke uønskede reaktioner på styrkende gasser. Det omfatter et tre-trins system for faste stoffer, væsker og gasser, og alle involverer kemisk identifikation af analytgas. Den elektrokemiske celle afsluttes af den såkaldte mod-elekrode, Cont-elekroden, som afbalancerer reaktionen ved føleselenelekroden. Den joniske strøm mellem Cont-elekroden og Sen-elekroden transporteres af elektrolyten inden for sensor-kroppen, mens strømmen vej bliver levert gennem en tråd afsluttet af en pin-forbindelse. En tredje elekrode inkluderes normalt i elektrokemiske sensorer (3-elekrode sensorer). En såkaldt referencelekrode bruges til at holde potentialet af føleselenelekroden på en fast værdi. Dette formål og normalt for drift af elektrokemiske sensorer kræves en konstant potentialecirkuit.

ⅱ. Komponenter i en elektrokemisk sensor

Den elektrokemiske sensor består af følgende fire nøgletal:

1. Åndedruende membraner (også kendt som hydrofobe membraner): Disse membraner bruges til at dække de sensoriske (katalytiske) elektroder og, i visse tilfælde, regulere den molekylerlige vægt af gasser, der når frem til elektrodoverfladen. Normalt fremstilles disse membraner af Teflon-filmer med lav porositet. Når disse membraner bruges til at dække elektroderne, kalder man sensorerne for coatingsensorer. Alternativt kan en højporøs Teflon-film bruges sammen med en kapillær for at kontrollere den molekylære masse af gas, der når frem til overfladen af elektroden. Denne konfiguration kaldes en kapillærtype sensor. Udenfor at give mekanisk beskyttelse for sensoren, fungerer filmen også som en filter, der eliminerer ubrugelige partikler. For at sikre, at den korrekte molekylære masse af gas tillades at gå igennem, er det afgørende at vælge den rigtige åbningstørrelse for både membranet og kapillæren. Åbningstørrelsen skal tillade tilstrækkeligt mange gasmolekyler at nå frem til den sensoriske elektrode, samtidig med at der forhindres udslip eller hurtig tørring af den væskelelektrolyt.

2. Elektrode: Det er afgørende at omhyggeligt vælge elektrodematerialet. Materialet bør være katalytisk og i stand til at udføre en halv-elektrolytisk reaktion over en forlænget periode. Normalt bliver elektroder lavet af edelmetaller, såsom platin eller guld, som reagerer effektivt med gasmolekyler gennem katalyse. Afhængig af sensorens design kan de tre elektroder være konstrueret af forskellige materialer for at understøtte elektrolyse-reaktionen.

3. Elektrolyt: Elektrolytten skal være i stand til at fremme elektrolytiske reaktioner og effektivt overføre jonisk ladning til elektroden. Den skal også oprette en stabil referencepotentiale sammen med referencelektroden og være kompatibel med materialerne, der bruges inden for sensoren. Desuden kan hurtig fordampning af elektrolytten føre til en svækkelse af sensorens signal, hvilket muligvis kan underminere dens nøjagtighed og pålidelighed.

4. Filter: Fra tid til anden placeres skrubberfilter foran sensoren for at eliminere ubønhovede gasser. Valget af filter er begrænset, hvor hvert type udstiller en forskellig effektivitet. Aktiveret kul står som det mest brugte filtermateriale, hvilket effektivt filtrerer de fleste kemikalier, undtagen kulmonoksid. Ved omhyggeligt at vælge det rigtige filtermedium opnår elektrokemiske sensorer en forhøjede selektivitet overfor deres ønskede gasser.

ⅲ. Klassificering af elektrokemisk sensor

Der findes mange måder at klassificere elektrokemiske sensorer på. Afhængig af deres variabel outputsignal kan de inddeles i potentiometriske sensorer, amperometriske sensorer og konduktometriske sensorer.

Efter de stoffer, som elektrokemiske sensorer registrerer, kan de hovedsagelig inddeles i ionsensorer, gasensorer og biosensorer.

ⅳ. Hovedegenskaber og påvirkende faktorer

1. Følsomhed

De vigtigste faktorer, der påvirker følsomheden, omfatter: katalysatoraktivitet, luftindtag, elektrolytledningsevne og miljøtemperatur.

2. Svargens gendannelseshastighed

De vigtigste faktorer, der påvirker svargens gendannelseshastighed, er katalysatoraktivitet, elektrolytledningsevne, gasrumskonstruktion, gas egenskaber mv.

3. Selectivitet/Krydsegning

De vigtigste faktorer, der påvirker selectiviteten, omfatter katalysator type, elektrolyt, forskydningsspænding, filter mv.

4. Genværdighed/Langsigtede stabilitet

Faktorer, der påvirker genværdigheden, omfatter: elektrodstrukturstabilitet, elektrolytstabilitet, gascirkuitsstabilitet mv.

5. Ydeevne ved høj og lav temperatur

Faktorer, der påvirker stabiliteit ved høj og lav temperatur, omfatter: katalysatoraktivitet, elektrodstrukturstabilitet og gas karakteristika.

V. De fire største anvendelser af elektrokemiske sensorer

Elektrokemiske sensorer bruges vidt om i industrielle og civile områder inden for gasedetektering. De kan detektere ozon, formialdehyd, kuliloxiding, ammoniak, svovlved, svovldioxid, kvindioxidad og andre gasser, ofte anvendt i håndbæringsinstrumentation og gasonlineovervågningsinstrumentation.

1. Fugtsensor

Fugtighed er en vigtig indikator for luftmiljøet, og der findes en tæt sammenhæng mellem luftens fugtighed og menneskets krop med hensyn til fordampningsvarme. Ved høj temperatur og høj fugtighed har kroppens vanskeligheder med at fordampne vand, hvilket giver et klamt følelse. Ved lav temperatur og høj fugtighed foregår varmespredningen fra kroppen mere intens, hvilket kan nemt forårsage kulde og frostbid. Den mest egnet temperatur for menneskekroppen ligger på 18~22℃, og den relative fugtighed skal være på 35%~65% RH. I miljø- og sundhedsovervågning bruges der ofte instrumenter som fuktethermometer med våd pibe, hånddriven hygrometer og ventilationshygrometer til at bestemme luftens fugtighed.

I de senere år er der kommet en stor mængde litteratur om brugen af sensorer til at bestemme luftfugtighed. De coatings-dekkede piezoelektriske kvarts kristaller, der bruges til at måle relativ fugtighed, laves til små kvarts-piezoelektriske kristaller ved hjælp af fotolitografi og kemisk etchningsteknikker, og fire stoffer dekkes på AT-snit 10 MHz kvarts-kristaller, som har en høj massefølsomhed over for fugtighed. Kristallen er en resonator i en svingskridt, hvis frekvens varierer med masse, og ved at vælge det rigtige coating kan sensoren bruges til at bestemme den relative fugtighed af forskellige gasser. Sensorens følsomhed, responslineærhed, responstid, selektivitet, hysteresis og levetid afhænger af arten af coatings-kemikalier.

2、Stikstofoxid-sensor

Kviksøvn er en variabel af kviksøvnblanding bestående af en blandelse af gasser, ofte udtrykt som NOX. I kviksøvn har de forskellige former for kviksøvn forskellig kemisk stabilitet, og i luften opdeles den ofte i monoksid af nitrogen og dioxid af nitrogen med relativt stabile kemiske egenskaber, hvilket ser ud til at have større betydning for sundheden end andre former for kviksøvn.

I miljøanalyse henviser nitrogenoksid normalt til kvindsyreanhydrid. Kinas standardmetode til overvågning af nitrogenoxid er nafthylethylenediaminehydrochlorid-kolorimetriske metode, følsomheden for metoden er 0,25ug/5ml, konverteringskoefficientens metode påvirkes af absorberingsløsnings sammensætning, kvindsyreanhydrid-koncentrationen, gasindsamlingens hastighed, absorptionsrørstruktur, kovalens med ioner og temperatur og mange andre faktorer, ikke fuldstændig forenet. Sensorbestemmelse er en ny metode udviklet i de senere år.

3、Vandstoffsulfid-gassensor

Vandstofsvovl er en farløs, forbrenelig gas med en særlig rødende æg-lignende lugt, som er irritations- og kvælstofskabende og skadelig for menneskets krop. De fleste metoder bruger calorimetri og gaschromatografi til at bestemme vandstofsvovl i luften. Bestemmelsen af luftforurenere, hvis indhold ofte er så lavt som på mg/m3-niveau, er en af de hovedanvendelser af gasensorer, men halvledingsgasensorer kan ikke opfylde følsomheds- og selektivitetskravene for at overvåge visse forurenende gasser på kort tid.

Den sølv-dopede tyndfilm-sensormatrix består af fire sensorer, der samtidig registrerer koncentrationerne af svovldioxid og vandstofsvovl ved hjælp af en universel analyserer baseret på kulometrisk titration og signalerne fra halvledingsgasensor-matricen. Praksis har vist, at sølv-dopede tyndfilm-sensorer, der bruges ved 150 °C på konstant temperatur, er effektive til at overvåge vandstofsvovl-indholdet i byluften.

4. Sulfurdioxid-sensor

Sulfurdioxid er en af de hovedsaglige stoffer, der forurenorer luften, og opdagelsen af sulfurdioxid i luften er en regelmæssig del af luftprøvetagning. Anvendelsen af sensorer til overvågning af sulfurdioxid har vist stor overlegenhed, fra at forkorte detektionstiden til at senke detektionsgrænsen. Fastepolymere bruges som ion-udskiftningsmembraner, hvor den ene side af membranet indeholder interne elektrolyter til kontrast og referenceelektroner, og en platin-elektrode indsættes på den anden side for at danne sulfurdioxid-sensoren. Sensoren monteres i en strømcelle og oksidere sulfurdioxid ved en spænding på 0,65V. Sulfurdioxidindholdet angives derefter. Det sensormæssige apparat viser høj strømfølsomhed, kort respons tid, god stabilitet, lav baggrundsstøj, en lineær område på 0,2 mmol/L, en detektionsgrænse på 8*10^-6 mmol/L og et signal-til-støj-forhold på 3.

Sensoren kan ikke kun detektere svovlil i luften, men også bruges til at detektere svovlil i væsker med lav ledningsevne. Den gasfølsomme coating af den organisk modificerede silikat tynde film svovlil-gassensor blev fremstillet ved hjælp af sol-gel proces og spin teknologi. Dette coating viser fremragende gentagbarhed og omvendelighed ved bestemmelse af svovlil, med en hurtig respons tid på mindre end 20 sekunder. Desuden viser det minimal interaktion med andre gasser og er minimert påvirket af ændringer i temperatur og fugtighed.