شما چه چیزی در مورد حسگرهای الکتروشیمیایی می‌دانید؟

حسگر الکتروشیمیایی نوعی حسگر است که به ویژگی‌های الکتروشیمیایی تحلیلی وابسته است تا مقدار شیمیایی را به مقدار برقی تبدیل کند و برای شناسایی و تشخیص استفاده شود.

حساسورهای الکتروشیمیایی قدیمی‌ترین نمونه‌ها به دهه 1950 بازمی‌گردند، زمانی که برای نظارت بر اکسیژن استفاده می‌شدند. و تا دهه 1980، وقتی که برای نظارت بر طیف گسترده‌ای از گازهای سمی مورد استفاده قرار می‌گرفتند و حساسیت و انتخابی خوبی نشان می‌دادند.

ⅰ. اصل کار حسگر الکتروشیمیایی

حسگرهای الکتروشیمیایی با واکنش شیمیایی با گاز مورد اندازه‌گیری کار می‌کنند و سیگنال الکتریکی متناسب با غلظت گاز تولید می‌کنند. بیشتر حسگرهای گازی الکتروشیمیایی جریان الکتریکی تولید می‌کنند که به صورت خطی متناسب با غلظت گاز است.

یک حسگر گاز الکتروشیمیایی به این شکل کار می‌کند: مولکول‌های گاز هدف در تماس با حسگر ابتدا از طریق یک ممبران عبور می‌کنند که ترکیبات را جلوگیری از ترسبی و همچنین به عنوان مانع گرد و غبار عمل می‌کند. سپس مولکول‌های گاز از طریق یک لوله کاپیلا می‌گذرند، احتمالاً از طریق فیلتر بعدی، و سپس از طریق یک ممبران هیدروفروب به سطح الکترود حسگر می‌رسند. در آنجا مولکول‌ها به صورت فوری اکسیده یا کاهش پیدا می‌کنند، که باعث تولید یا مصرف الکترون‌ها و در نتیجه تولید جریان برقی می‌شود.

توجه داشته باشید که مقدار مولکول‌های گاز ورودی به سنسور این روش توسط نفوذ از طریق کپیلا محدود می‌شود. با بهینه‌سازی مسیر، سیگنال الکتریکی مناسبی بر اساس برد اندازه‌گیری مورد نظر بدست می‌آید. طراحی الکترود حسگر برای دستیابی به پاسخ سریع به گاز هدف و کاهش پاسخ‌های نامطلوب به گازهای مداخله‌گر ضروری است. این شامل یک سیستم سه مرحله‌ای برای جامدات، مایعات و گازهاست و تمام آن‌ها شامل شناسایی شیمیایی گاز آنالیت است. سلول الکتروشیمیایی توسط الکترود معروف به الکترود متضاد (Cont electrode) که واکنش در الکترود حسگر را تعادل می‌دهد، کامل می‌شود. جریان یونی بین الکترود Cont و Sen توسط الکترولیت در داخل بدن سنسور منتقل می‌شود، در حالی که مسیر جریان توسط یک سیم به انتهای یک وصله پین فراهم می‌شود. معمولاً یک الکترود سوم در سنسورهای الکتروشیمیایی (سنسورهای سه الکترودی) شامل می‌شود. یک الکترود مرجع به منظور نگهداری پتانسیل الکترود حسگر در مقدار ثابت استفاده می‌شود. برای این منظور و معمولاً برای عملکرد سنسورهای الکتروشیمیایی، یک مدار پتانسیل ثابت مورد نیاز است.

ⅱ. بخش‌های یک حسگر الکتروشیمیایی

حسگر الکتروشیمیایی شامل چهار مولفه کلیدی زیر است:

۱. فیلم‌های نفوذپذیر (که به آن فیلم‌های هیدروفروبیک نیز گفته می‌شود): این فیلم‌ها به منظور پوشاندن الکترودهای حسگر (کاتالیستی) عمل می‌کنند و در برخی موارد، وزن مولکولی گازهای رسیده به سطح الکترود را تنظیم می‌کنند. معمولاً این فیلم‌ها از فیلم‌های تفلون با پوروزیتی کم ساخته می‌شوند. وقتی این فیلم‌ها برای پوشاندن الکترود استفاده می‌شوند، حسگرها به عنوان حسگرهای پوشیده شناخته می‌شوند. در مقابل، می‌توان از فیلم تفلون با پوروزیتی بالا و همراه با یک کپیلا مورد استفاده قرار داد تا وزن مولکولی گاز رسیده به سطح الکترود را کنترل کند. این تنظیم به عنوان حسگر نوع کپیلا شناخته می‌شود. علاوه بر ارائه محافظت مکانیکی برای حسگر، این فیلم به عنوان فیلتر عمل می‌کند و ذرات نامطلوب را حذف می‌کند. برای اطمینان از اینکه وزن مولکولی مناسب گاز به گذر اجازه داده شود، انتخاب اندازه شاری مناسب برای هر دو فیلم و کپیلا ضروری است. اندازه شار باید به گونه‌ای باشد که تعداد کافی از مولکول‌های گاز به الکترود حسگر برسد، همزمان جلوگیری از رشح یا خشک شدن سریع الکترولیت مایع انجام شود.

2. الکترود: انتخاب ماده الکترود به شکل دقیق اهمیت دارد. این ماده باید کاتالیزور باشد و قادر به انجام واکنش نیمه الکترولیتی برای مدت زمان طولانی باشد. معمولاً الکترودها از فلزات گران قیمت، مانند پلاتین یا طلا ساخته می‌شوند که با مولکول‌های گازی به شکل کارآمد واکنش می‌دهند از طریق کاتالیز. بسته به طراحی حسگر، سه الکترود ممکن است از مواد مختلفی ساخته شوند تا واکنش الکترولیز را تسهیل کنند.

3. الکترولیت: الکترولیت باید قادر به تسهیل واکنش‌های الکترولیتی و تبدیل بار یونی به الکترود به شکل کارآمد باشد. همچنین باید بالقوه مرجع پایداری با الکترود مرجع ایجاد کند و سازگار با مواد استفاده شده در داخل حسگر باشد. علاوه بر این، تبخیر سریع الکترولیت می‌تواند منجر به ضعف سیگنال حسگر شود که ممکن است دقت و قابلیت اعتماد آن را تحت تأثیر قرار دهد.

۴. فیلترها: گاهی اوقات، فیلترهای شوینده جهت حذف گازهای نامطلوب در جلوی سنسور قرار داده می‌شوند. انتخاب فیلترها محدود است و هر نوع دارای سطح کارایی متفاوتی است. زغال فعال به عنوان مواد فیلتر بیشترین استفاده را دارد و بیشتر شیمیایی‌ها را به خوبی فیلتر می‌کند، با این حال گاز مونوکسید کربن را فیلتر نمی‌کند. با انتخاب دقیق ماده فیلتر مناسب، سنسورهای الکتروشیمیایی انتخابی بیشتری نسبت به گازهای مورد نظر خود پیدا می‌کنند.

ⅲ. طبقه‌بندی سنسور الکتروشیمیایی

روش‌های مختلفی برای طبقه‌بندی سنسورهای الکتروشیمیایی وجود دارد. به دلیل تفاوت در سیگنال‌های خروجی، آنها می‌توانند به سنسورهای پتانسیومتریک، آمپرومتریک و کاندوکتمتریک تقسیم شوند.

بر اساس مواد تشخیص داده شده توسط سنسورهای الکتروشیمیایی، این سنسورها عمدتاً به سنسورهای یونی، گازی و بیوسنسورها طبقه‌بندی می‌شوند.

ⅳ. ویژگی‌های اصلی و عوامل مؤثر

۱. حساسیت

عوامل اصلی که به حساسیت تأثیر می‌گذارند شامل: فعالیت کاتالیزور، ورود هوا، رسانایی الکترولیت و دمای محیط هستند.

2. بازیابی پاسخ

عوامل اصلی که سرعت بازیابی پاسخ را تحت تأثیر قرار می‌دهند شامل فعالیت کاتالیزور، رسانایی الکترولیت، ساختار حجره گاز، خصوصیات گازها و غیره است.

3. انتخابی بودن/ اختلال متقاطع

عوامل اصلی که به انتخابی بودن تأثیر می‌گذارند شامل نوع کاتالیزور، الکترولیت، ولتاژ جهت‌دار، فیلتر و غیره هستند.

4. تکرارپذیری/ ثبات بلندمدت

عوامل تأثیرگذار بر تکرارپذیری شامل: ثبات ساختار الکترود، ثبات الکترولیت، ثبات مسیر گاز و غیره است.

5. عملکرد در دماهای بالا و پایین

عوامل تأثیرگذار بر ثبات در دماهای بالا و پایین شامل: فعالیت کاتالیزور، ثبات ساختار الکترود و ویژگی‌های گاز هستند.

پنج. چهار کاربرد اصلی حسگرهای الکتروشیمیایی

سنسورهای الکتروشیمیایی به طور گسترده در حوزه‌های صنعتی و مدنی برای تشخیص گاز استفاده می‌شوند، می‌توانند گازهایی مانند ازون، فورمالدهید، کربن مونوکسید، آمونیاک، سولفید هیدروژن، دی옥سید سولفور، دی옥سید نیتروژن، اکسیژن و سایر گازها را تشخیص دهند، معمولاً در ابزارهای نقال و ابزارهای نظارت آنلاین گاز استفاده می‌شوند.

۱. سنسور رطوبت

رطوبت یک شاخص مهم از محیط هواست، رابطه بین رطوبت هوا و بدن انسان به واسطه حرارت تبخیر نزدیک است. در دمای بالا و رطوبت زیاد، به دلیل مشکلات تبخیر آب در بدن انسان، احساس خفقت می‌شود و در دمای پایین و رطوبت زیاد، فرآیند انتقال گرما در بدن شدید است و می‌تواند سبب عفونت و یخ زدگی شود. دمای مناسب برای بدن انسان بین ۱۸ تا ۲۲ درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی بین ۳۵٪ تا ۶۵٪ RH است. در نظارت بر محیط زیست و سلامت، ابزارهای مختلفی مانند ترمومتر-رطوبت‌سنج کره مرطوب، رطوبت‌سنج دستی و رطوبت‌سنج هواپیما برای تعیین رطوبت هوا استفاده می‌شود.

در سال‌های اخیر، تعداد زیادی گزارش ادبیات علمی درباره استفاده از حسگرهایی برای تعیین رطوبت هوا وجود دارد. بلورهای کوئارتس فشاربرقی پوشیده شده که برای تعیین رطوبت نسبی مورد استفاده قرار می‌گیرند، با استفاده از تکنیک‌های فتولیتوگرافی و خوردگی شیمیایی به بلورهای کوئارتس فشاربرقی کوچک تبدیل می‌شوند و چهار ماده روی بلورهای کوئارتس فشاربرقی نوع AT برش‌یافته با فرکانس 10 MHz که حساسیت جرمی بالایی نسبت به رطوبت دارند، پوشیده می‌شوند. بلور به عنوان رزوناتور در یک مدار نوسانی عمل می‌کند که فرکانس آن با جرم تغییر می‌کند و با انتخاب پوشش مناسب، حسگر می‌تواند برای تعیین رطوبت نسبی گازهای مختلف استفاده شود. حساسیت، خطی بودن پاسخ، زمان پاسخ، انتخابی بودن، هیسترزیس و طول عمر حسگر بستگی به طبیعت مواد شیمیایی پوشش دارد.

2、حسگر اکسید نیتروژن

اکسید نیتروژن نوعی از ترکیبات اکسید نیتروژن است که از ترکیب گازها تشکیل شده، اغلب به صورت NOX بیان می‌شود. در اکسید نیتروژن، پایداری شیمیایی این افراد مختلف است، هوا اغلب به دو نوع اکسید یکتای نیتروژن و دی옥سید نیتروژن که خواص شیمیایی نسبتاً پایداری دارند تقسیم می‌شود، اهمیت آنها در حیات‌شناسی به نظر می‌رسد که از سایر اشکال اکسید نیتروژن مهم‌تر است.

در تحلیل زیست‌محیطی، اکسید نیتروژن به طور کلی به دی‌اکسید نیتروژن اشاره دارد. روش استاندارد چین برای نظارت بر اکسیدهای نیتروژن روش رنگ‌سنجی نفتالن اتیلن‌دی‌آمین هیدروکلرید است، حساسیت این روش ۰٫۲۵ میکروگرم بر ۵ میلی‌لیتر است، ضریب تبدیل این روش تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد، از جمله ترکیب محلول جذب‌کننده، غلظت دی‌اکسید نیتروژن، سرعت جمع‌آوری گاز، ساختار لوله جذب‌کننده، وجود همزیستی یون‌ها و دما و بسیاری از عوامل دیگر، کاملاً یکپارچه نیست. تعیین با استفاده از حسگر یک روش جدیدی است که در سال‌های اخیر توسعه یافته است.

3- حسگر گاز سولفید هیدروژن

سولفید هیدروژن گازی بدون رنگ و قابل اشتعال است که بوی خاص تخم مرغ فاسد دارد، که به مخاطات آسیب می‌رساند و مخمل کننده است و برای بدن انسان خطرناک است. بیشتر روش‌ها از کالوریمتری و کروماتوگرافی گازی برای تعیین سولفید هیدروژن در هوا استفاده می‌کنند. تعیین آلوده‌کننده‌های هوا که محتوای آن‌ها اغلب به سطح میلی‌گرم بر متر مکعب می‌رسد، یکی از کاربردهای اصلی حسگرهای گازی است، اما حسگرهای نیمه‌رسانا قادر نیستند با حساسیت و انتخابی لازم برای نظارت بر برخی گازهای آلوده‌کننده در یک بازه زمانی کوتاه مقابله کنند.

آرایه حسگر فیلم نازک نقره‌دار شامل چهار حسگر است که به طور همزمان غلظت‌های دی‌اکسید سولفور و سولفید هیدروژن را با استفاده از یک آنالایزر جهانی مبتنی بر تیتراسیون کولومتریک و سیگنال‌های آرایه حسگر گازی نیمه‌رسانا ثبت می‌کند. تجربه نشان داده است که حسگرهای فیلم نازک نقره‌دار که به صورت ثابت‌دم در دمای ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شوند، برای نظارت بر مقدار سولفید هیدروژن در هوا در شهر مناسب هستند.

4. سنسور دی اکسید گوگرد

دی اکسید گوگرد یکی از مواد اصلی است که هوا را آلوده می‌کند و تشخیص دی اکسید گوگرد در هوا بخشی معمول از آزمایش هواست. کاربرد سنسورها در نظارت بر دی اکسید گوگرد بهره‌وری زیادی نشان داده است، از کاهش زمان تشخیص تا پایین آوردن حد تشخیص. پلیمرهای جامد به عنوان ممبران‌های تعویض یونی استفاده می‌شوند، که یک طرف ممبران حاوی الکترولیت داخلی برای الکترودهای مقابل و مرجع است، و یک الکترود پلاتین در طرف دیگر قرار داده شده تا سنسور دی اکسید گوگرد را تشکیل دهد. سنسور در یک سلول جریان نصب می‌شود و دی اکسید گوگرد را در ولتاژ 0.65V اکسیده می‌کند. سپس مقدار دی اکسید گوگرد نشان داده می‌شود. دستگاه حسگر حساسیت جریان بالا، زمان پاسخ کوتاه، پایداری خوب، نوفه پس‌زمینه کم، محدوده خطی 0.2 میلی‌مول/لیتر، حد تشخیص 8*10-6 میلی‌مول/لیتر و نسبت سیگنال به نوفه 3 نشان می‌دهد.

حسگر نه تنها می‌تواند گاز دی اکسید سولفور در هوا را تشخیص دهد، بلکه برای تشخیص دی اکسید سولفور در مایعات با رسانایی الکتریکی پایین نیز قابل استفاده است. لایه حساس به گاز در حسگر دی اکسید سولفور فیلم نازک سیلیکات تغییر یافته عضوی با استفاده از فرآیند sol-gel و فناوری چرخشی ساخته شده است. این لایه در تعیین دی اکسید سولفور عملکرد تکرارپذیر برجسته و معکوس‌پذیری عالی دارد و زمان پاسخ سریعی کمتر از 20 ثانیه دارد. علاوه بر این، تعامل کمی با گازهای دیگر دارد و از تغییرات دما و رطوبت تحت تأثیر کمی قرار می‌گیرد.