¿Qué sabes sobre sensores electroquímicos?

El sensor electroquímico es un tipo de sensor que se basa en las propiedades electroquímicas del analito para convertir la cantidad química en una cantidad eléctrica para su detección y sensado.

Los sensores electroquímicos más antiguos se remontan a la década de 1950, cuando se utilizaban para monitorear oxígeno. Y a los años 80, cuando se usaban para monitorear una amplia gama de gases tóxicos y mostraban buena sensibilidad y selectividad.

ⅰ. Principio de funcionamiento del sensor electroquímico

Los sensores electroquímicos funcionan reaccionando químicamente con el gas que se mide y produciendo una señal eléctrica proporcional a la concentración de gas. La mayoría de los sensores de gas electroquímicos generan una corriente que es proporcional linealmente a la concentración de gas.

Un sensor electroquímico de gas funciona de la siguiente manera: Las moléculas de gas objetivo al entrar en contacto con el sensor primero pasan a través de una membrana que evita la condensación y también actúa como barrera contra el polvo. Luego, las moléculas de gas se difunden a través de un tubo capilar, posiblemente a través de un filtro posterior, y después a través de una membrana hidrofóbica hasta la superficie del electrodo de detección. Allí, las moléculas se oxidan o reducen inmediatamente, generando o consumiendo electrones y produciendo una corriente eléctrica.

Es importante tener en cuenta que la cantidad de moléculas de gas que entran en el sensor de esta manera está limitada por la difusión a través de la capilar. Al optimizar la trayectoria, se obtiene una señal eléctrica adecuada de acuerdo con el rango de medición deseado. El diseño del electrodo de detección es esencial para lograr una alta respuesta al gas objetivo y para suprimir respuestas no deseadas a gases interferentes. Involucra un sistema de tres etapas para sólidos, líquidos y gases, y todos implican la identificación química del gas analito. La celda electroquímica se completa con el llamado electrodo contra, el electrodo Cont, que equilibra la reacción en el electrodo de detección. La corriente iónica entre el electrodo Cont y el electrodo Sen es transportada por el electrolito dentro del cuerpo del sensor, mientras que la trayectoria de la corriente se proporciona a través de un cable terminado por un conector de pín. Por lo general, se incluye un tercer electrodo en los sensores electroquímicos (sensores de 3 electrodos). Se utiliza un electrodo de referencia para mantener el potencial del electrodo de detección a un valor fijo. Para este propósito y normalmente para el funcionamiento de los sensores electroquímicos, se requiere un circuito de potencial constante.

ⅱ. Componentes de un sensor electroquímico

El sensor electroquímico consta de los siguientes cuatro componentes clave:

1. Membranas transpirables (también conocidas como membranas hidrofóbicas): Estas membranas sirven para cubrir los electrodos de detección (catalíticos) y, en ciertos casos, regulan el peso molecular de los gases que llegan a la superficie del electrodo. Típicamente, estas membranas se fabrican a partir de películas de Teflón con baja porosidad. Cuando estas membranas se utilizan para cubrir los electrodos, los sensores se denominan sensores recubiertos. Alternativamente, se puede utilizar una película de Teflón de alta porosidad junto con un capilar para controlar el peso molecular del gas que llega a la superficie del electrodo. Esta configuración se conoce como sensor de tipo capilar. Además de proporcionar protección mecánica al sensor, la película también funciona como filtro, eliminando partículas indeseadas. Para asegurar que el peso molecular adecuado del gas sea permitido pasar, es crucial seleccionar el tamaño de apertura apropiado tanto para la membrana como para el capilar. El tamaño de la apertura debe permitir que suficientes moléculas de gas alcancen el electrodo de detección mientras se evita la fuga o el secado rápido del electrolito líquido.

2. Electrodo: Es crucial seleccionar cuidadosamente el material del electrodo. El material debe ser catalítico, capaz de realizar una reacción semi-electrolítica durante un período prolongado. Típicamente, los electrodos se fabrican con metales preciosos, como el platino o el oro, que reaccionan eficientemente con moléculas de gas a través de la catálisis. Dependiendo del diseño del sensor, los tres electrodos pueden estar construidos con materiales diferentes para facilitar la reacción de electrólisis.

3. Electrólito: El electrólito debe ser capaz de facilitar las reacciones electroquímicas y transducir eficientemente la carga iónica al electrodo. También debe formar un potencial de referencia estable con el electrodo de referencia y ser compatible con los materiales utilizados dentro del sensor. Además, la evaporación rápida del electrólito puede llevar a una debilitación de la señal del sensor, potencialmente comprometiendo su precisión y fiabilidad.

4. Filtros: Ocasionalmente, los filtros del lavador se colocan frente al sensor para eliminar gases no deseados. La selección de filtros es limitada, con cada tipo mostrando un nivel distinto de eficiencia. El carbón activado se posiciona como el material de filtro más utilizado, filtrando eficazmente la mayoría de los químicos, excepto el monóxido de carbono. Al seleccionar cuidadosamente el medio de filtro adecuado, los sensores electroquímicos logran una mayor selectividad hacia sus gases objetivo.

ⅲ. Clasificación del Sensor Electroquímico

Existen muchas maneras de clasificar los sensores electroquímicos. Dependiendo de sus señales de salida variables, pueden dividirse en sensores potenciométricos, sensores amperométricos y sensores conductométricos.

De acuerdo con las sustancias detectadas por los sensores electroquímicos, estos pueden clasificarse principalmente en sensores de iones, sensores de gases y biosensores.

ⅳ. Principales Propiedades y Factores de Influencia

1. Sensibilidad

Los factores principales que afectan la sensibilidad incluyen: actividad del catalizador, toma de aire, conductividad del electrolito y temperatura ambiente.

2. Recuperación de respuesta

Los factores principales que afectan la velocidad de recuperación de respuesta son la actividad del catalizador, conductividad del electrolito, estructura de la cámara de gas, propiedades del gas, etc.

3. Selectividad/Interferencia cruzada

Los factores principales que afectan la selectividad incluyen el tipo de catalizador, electrolito, voltaje de polarización, filtro, etc.

4. Repetitividad/Estabilidad a largo plazo

Factores que afectan la repetitividad incluyen: estabilidad de la estructura del electrodo, estabilidad del electrolito, estabilidad del circuito de gas, etc.

5. Rendimiento en altas y bajas temperaturas

Factores que afectan la estabilidad en altas y bajas temperaturas incluyen: actividad del catalizador, estabilidad de la estructura del electrodo y características del gas.

V. Cuatro aplicaciones principales de los sensores electroquímicos

Los sensores electroquímicos son ampliamente utilizados en áreas industriales y civiles de detección de gases, pueden detectar ozono, formaldehído, monóxido de carbono, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, oxígeno y otros gases, comúnmente utilizados en instrumentación portátil y en instrumentación de monitoreo en línea de gases.

1. Sensor de humedad

La humedad es un indicador importante del ambiente del aire, la relación entre la humedad del aire y el cuerpo humano está estrechamente vinculada a la evaporación del calor. En condiciones de alta temperatura y alta humedad, debido a las dificultades para que el agua del cuerpo humano se evapore, se siente agobio. En condiciones de baja temperatura y alta humedad, el proceso de disipación de calor del cuerpo humano es intenso, lo que facilita resfriados y congelaciones. La temperatura más adecuada para el cuerpo humano es de 18~22℃, con una humedad relativa del 35%~65% HR. En el monitoreo ambiental y de salud, se utilizan comúnmente instrumentos como el psicrómetro de bulbo húmedo, el higrómetro de manivela y el higrómetro de ventilación para determinar la humedad del aire.

En los últimos años, se han publicado numerosos informes sobre el uso de sensores para determinar la humedad del aire. Los cristales piezoeléctricos de cuarzo recubiertos utilizados para la determinación de la humedad relativa se fabrican en pequeños cristales piezoeléctricos de cuarzo mediante técnicas de fotolitografía y grabado químico, y se recubren con cuatro sustancias en los cristales de cuarzo de 10 MHz cortados en AT, que tienen una alta sensibilidad de masa a la humedad. El cristal actúa como un resonador en un circuito oscilante cuya frecuencia varía con la masa, y al seleccionar el recubrimiento adecuado, el sensor puede usarse para determinar la humedad relativa de diferentes gases. La sensibilidad, linealidad de respuesta, tiempo de respuesta, selectividad, histéresis y vida útil del sensor dependen de la naturaleza de las sustancias químicas del recubrimiento.

2、Sensor de óxido de nitrógeno

El óxido de nitrógeno es una variedad de óxidos de nitrógeno compuestos de una mezcla de gases, a menudo expresados como NOX. En el óxido de nitrógeno, la estabilidad química de las diferentes formas de óxido de nitrógeno es diferente, y en el aire se divide comúnmente en monóxido de nitrógeno y dióxido de nitrógeno, que tienen propiedades químicas relativamente estables. Su importancia en higiene parece ser mayor que la de otras formas de óxido de nitrógeno.

En el análisis ambiental, óxido de nitrógeno generalmente se refiere al dióxido de nitrógeno. El método estándar en China para monitorear óxidos de nitrógeno es el método colorimétrico de naftaleno etilendiamina hidrocloruro, la sensibilidad del método es 0.25ug/5ml, el coeficiente de conversión del método se ve afectado por la composición de la solución absorbente, la concentración de dióxido de nitrógeno, la velocidad de recolección de gas, la estructura del tubo absorbente, la coexistencia de iones y la temperatura, entre muchos otros factores, no estando completamente unificado. La determinación con sensor es un nuevo método desarrollado en los últimos años.

3, Sensor de Gas de Sulfuro de Hidrógeno

El sulfuro de hidrógeno es un gas incoloro, combustible, con un olor característico a huevo podrido, que es irritante y asfixiante, y dañino para el cuerpo humano. La mayoría de los métodos utilizan calorimetría y cromatografía de gases para determinar el sulfuro de hidrógeno en el aire. La determinación de contaminantes atmosféricos cuyo contenido a menudo es tan bajo como el nivel de mg/m³ es una de las principales aplicaciones de los sensores de gases, pero los sensores de gas semiconductores no pueden cumplir con los requisitos de sensibilidad y selectividad necesarios para monitorear ciertos gases contaminantes en un período de tiempo corto.

El arreglo de sensores de película delgada dopada con plata consta de cuatro sensores que registran simultáneamente las concentraciones de dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno utilizando un analizador universal basado en la titulación coulométrica y las señales del arreglo de sensores de gas semiconductor. La práctica ha demostrado que los sensores de película delgada dopada con plata, utilizados a 150 °C de manera de temperatura constante, son efectivos para monitorear el contenido de sulfuro de hidrógeno en el aire urbano.

4. Sensor de Dióxido de Azufre

El dióxido de azufre es una de las principales sustancias que contaminan el aire, y la detección de dióxido de azufre en el aire es una parte regular de las pruebas de aire. La aplicación de sensores en el monitoreo del dióxido de azufre ha demostrado una gran superioridad, desde acortar el tiempo de detección hasta reducir el límite de detección. Se utilizan polímeros sólidos como membranas de intercambio iónico, con un lado de la membrana que contiene electrolitos internos para los electrodos contra y de referencia, e insertando un electrodo de platino en el otro lado para formar el sensor de dióxido de azufre. El sensor se monta en una celda de flujo y oxida el dióxido de azufre a un voltaje de 0,65V. Luego se indica el contenido de dióxido de azufre. El dispositivo de detección muestra una alta sensibilidad de corriente, un tiempo de respuesta corto, buena estabilidad, bajo ruido de fondo, un rango lineal de 0,2 mmol/L, un límite de detección de 8*10-6 mmol/L y una relación señal/ruido de 3.

El sensor no solo puede detectar dióxido de azufre en el aire, sino que también se puede utilizar para detectar dióxido de azufre en líquidos de baja conductividad. La capa sensible a gases del sensor de dióxido de azufre de película delgada de silicato modificado orgánicamente se fabricó utilizando el proceso sol-gel y tecnología de centrifugado. Esta capa muestra una excelente reproducibilidad y reversibilidad en la determinación de dióxido de azufre, con un tiempo de respuesta rápido de menos de 20 segundos. Además, demuestra una interacción mínima con otros gases y es poco influenciada por cambios en la temperatura y la humedad.