आप इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के बारे में क्या जानते हैं

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर ऐसा सेंसर है जो एनालाइट के इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों पर निर्भर करता है ताकि रासायनिक मात्रा को सेंसिंग और पता लगाने के लिए इलेक्ट्रिकल मात्रा में बदल दिया जा सके।

पहले इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर 1950 के दशक तक वापस जाते हैं, जब उन्हें ऑक्सीजन मॉनिटरिंग के लिए उपयोग किया जाता था। और 1980 के दशक तक, जब उन्हें विषाक्त गैसों की व्यापक रेखांकन के लिए उपयोग किया जाता था और अच्छी संवेदनशीलता और चयनिकता दिखाई।

ⅰ. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर का कार्यात्मक सिद्धांत

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर मापी गई गैस के साथ रासायनिक रूप से अभिक्रिया करके काम करते हैं और गैस की सांद्रता के अनुपाती इलेक्ट्रिकल सिग्नल उत्पन्न करते हैं। अधिकांश इलेक्ट्रोकेमिकल गैस सेंसर ऐसा विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं जो गैस की सांद्रता के अनुपाती रूप से रैखिक होती है।

एक इलेक्ट्रोकेमिकल गैस सेंसर इस प्रकार काम करता है: लक्ष्य गैस परमाणुओं को सेंसर से संपर्क में लाने पर पहले एक डायफ्रैगम से गुज़रना पड़ता है, जो कंडेंसेशन को रोकता है और यह धूल की बाधा के रूप में भी काम करता है। फिर गैस परमाणुओं को एक कैपिलरी ट्यूब से फैलना होता है, संभवतः एक अगले फिल्टर से, और फिर एक हाइड्रोफोबिक मेम्ब्रेन से तथा तब सेंसिंग इलेक्ट्रोड की सतह पर। वहाँ परमाणुओं को तुरंत ऑक्सीकृत या रिड्यूस किया जाता है, जिससे इलेक्ट्रॉन्स का उत्पादन या खपत होती है और इस प्रकार एक विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

यह ध्यान देने योग्य है कि गैस प्रतिशत के अणुओं की संख्या, जो इस तरह सेंसर में प्रवेश करती है, कैपिलरी के माध्यम से डिफ़्यूज़न द्वारा सीमित होती है। मार्ग को ऑप्टिमाइज़ करके, वांछित मापन श्रेणी के अनुसार उपयुक्त विद्युत संकेत प्राप्त किया जाता है। सेंसिंग इलेक्ट्रोड का डिज़ाइन लक्षित गैस के प्रति उच्च प्रतिक्रिया को प्राप्त करने और बाधाएं गैसों के अनावश्यक प्रतिक्रियाओं को दबाने के लिए महत्वपूर्ण है। यह ठोस, तरल और गैसों के लिए तीन-स्तरीय प्रणाली को शामिल करता है, और सभी में एनालाइट गैस की रासायनिक पहचान की जाती है। इलेक्ट्रोकेमिकल सेल को तथाकथित काउंटर इलेक्ट्रोड (Cont इलेक्ट्रोड) द्वारा पूरा किया जाता है, जो सेंसिंग इलेक्ट्रोड पर प्रतिक्रिया को संतुलित करता है। Cont इलेक्ट्रोड और Sen इलेक्ट्रोड के बीच आयनिक धारा सेंसर शरीर के भीतर इलेक्ट्रोलाइट द्वारा परिवहित होती है, जबकि धारा मार्ग को एक पिन कनेक्टर से समाप्त तार के माध्यम से प्रदान किया जाता है। इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर्स में आमतौर पर तीसरा इलेक्ट्रोड शामिल होता है (3-इलेक्ट्रोड सेंसर)। एक तथाकथित रेफ़रेंस इलेक्ट्रोड का उपयोग सेंसिंग इलेक्ट्रोड के विभव को एक निर्धारित मान पर बनाए रखने के लिए किया जाता है। इस उद्देश्य के लिए और आमतौर पर इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर्स के लिए, एक निरंतर विभव परिपथ की आवश्यकता होती है।

ⅱ. एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के घटक

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर में निम्नलिखित चार मुख्य घटक शामिल हैं:

1. सांस लेने योग्य झिल्ली (जिसे हाइड्रोफोबिक झिल्ली के रूप में भी जाना जाता है): ये झिल्ली संवेदनशील (कैटलिस्टिक) इलेक्ट्रोड को ढँकने के लिए काम आती हैं और कुछ मामलों में, गैसों के अणुभार को नियंत्रित करती है जो इलेक्ट्रोड सतह पर पहुँचती है। आमतौर पर, ये झिल्ली कम पोरोसिटी वाले टेफ्लॉन फिल्म से बनाई जाती हैं। जब ये झिल्ली इलेक्ट्रोड को ढँकने के लिए उपयोग की जाती हैं, तो सेंसर को ढके हुए सेंसर कहा जाता है। वैकल्पिक रूप से, एक उच्च पोरोसिटी वाली टेफ्लॉन फिल्म का उपयोग किया जा सकता है, साथ ही एक कैपिलरी का भी उपयोग गैस के अणुभार को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है जो इलेक्ट्रोड की सतह पर पहुँचती है। इस व्यवस्था को कैपिलरी प्रकार का सेंसर कहा जाता है। सेंसर के लिए यांत्रिक सुरक्षा प्रदान करने के अलावा, फिल्म एक फ़िल्टर के रूप में भी कार्य करती है, अपेक्षित गैस के अणुभार को पारित करने के लिए यह महत्वपूर्ण है कि दोनों झिल्ली और कैपिलरी के लिए उपयुक्त छेद का आकार चुना जाए। छेद का आकार इस प्रकार होना चाहिए कि पर्याप्त गैस अणुओं को संवेदनशील इलेक्ट्रोड तक पहुँचने की अनुमति देता हो और तरल इलेक्ट्रोलाइट की रिसाव या तेजी से सूखने को रोकता हो।

2. इलेक्ट्रोड: इलेक्ट्रोड सामग्री का चयन करना बहुत महत्वपूर्ण है। यह सामग्री कैटलिस्टिक होनी चाहिए, जो लंबे समय तक आधे-इलेक्ट्रॉलाइटिक प्रतिक्रिया को कर सकती है। आमतौर पर, इलेक्ट्रोड की रचना कीमती धातुओं, जैसे प्लैटिनम या सोने से की जाती है, जो गैस परमाणुओं के साथ कैटलिस्टिक रूप से कुशलता से प्रतिक्रिया करती है। सेंसर के डिज़ाइन पर निर्भर करते हुए, तीन इलेक्ट्रोडों को अलग-अलग सामग्रियों से बनाया जा सकता है ताकि इलेक्ट्रॉलाइसिस प्रतिक्रिया को सुगम बनाया जा सके।

3. इलेक्ट्रॉलाइट: इलेक्ट्रॉलाइट को इलेक्ट्रॉलाइटिक प्रतिक्रियाओं को सक्षम करने और आयनिक चार्ज को इलेक्ट्रोड पर कुशलता से परिवर्तित करने की क्षमता होनी चाहिए। इसे रेफरेंस इलेक्ट्रोड के साथ स्थिर संदर्भ विभव बनाना चाहिए और सेंसर के भीतर उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के साथ संगत होना चाहिए। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉलाइट की तेजी से वाष्पन होने से सेंसर सिग्नल में कमजोरी आ सकती है, जो इसकी सटीकता और विश्वसनीयता को खतरे में डाल सकती है।

4. फ़िल्टर: कभी-कभी, सेंसर के सामने स्क्रबर फ़िल्टर लगाए जाते हैं ताकि अवांछित गैसों को दूर किया जा सके। फ़िल्टर का चयन सीमित होता है, जहां प्रत्येक प्रकार की विशिष्ट कुशलता होती है। सक्रिय कोयले को सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला फ़िल्टर सामग्री माना जाता है, जो अधिकांश रासायनिक पदार्थों को पर्याप्त रूप से फ़िल्टर करता है, कार्बन मोनोऑक्साइड को छोड़कर। उपयुक्त फ़िल्टर मीडिया का ध्यानपूर्वक चयन करके, इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर अपने लक्षित गैसों के प्रति अधिक चयनितता प्राप्त करते हैं।

ⅲ. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर का वर्गीकरण

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर को वर्गीकृत करने के बहुत सारे तरीके हैं। उनके भिन्न आउटपुट सिग्नल पर निर्भर करते हुए, उन्हें पोटेंशियलमेट्रिक सेंसर, एम्पेरोमेट्रिक सेंसर और कॉन्डक्टोमेट्रिक सेंसर में विभाजित किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर द्वारा पता लगाए जाने वाले पदार्थों के अनुसार, इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर को मुख्य रूप से आयन सेंसर, गैस सेंसर और बायोसेंसर में वर्गीकृत किया जा सकता है।

ⅳ. मुख्य गुण और प्रभावशील कारक

1. संवेदनशीलता

संवेदनशीलता पर प्रभाव डालने वाले मुख्य कारकों में शामिल हैं: कैटलिस्ट सक्रियता, हवा का इनपुट, इलेक्ट्रोलाइट चालकता, और आसपास का तापमान।

2. प्रतिक्रिया पुनर्प्राप्ति

प्रतिक्रिया पुनर्प्राप्ति गति पर प्रभाव डालने वाले मुख्य कारक कैटलिस्ट सक्रियता, इलेक्ट्रोलाइट चालकता, गैस कक्षा संरचना, गैस गुण, आदि हैं।

3. चयनितता/क्रॉस-अंतराकंप

चयनितता पर प्रभाव डालने वाले मुख्य कारकों में कैटलिस्ट की प्रकार, इलेक्ट्रोलाइट, झुकाव वोल्टेज, फ़िल्टर, आदि शामिल हैं।

4. पुनरावृत्ति/लंबे समय तक की स्थिरता

पुनरावृत्ति पर प्रभाव डालने वाले कारकों में शामिल हैं: इलेक्ट्रोड संरचना स्थिरता, इलेक्ट्रोलाइट स्थिरता, गैस परिपथ स्थिरता, आदि।

5. उच्च और निम्न तापमान प्रदर्शन

उच्च और निम्न तापमान स्थिरता पर प्रभाव डालने वाले कारकों में शामिल हैं: कैटलिस्ट सक्रियता, इलेक्ट्रोड संरचना स्थिरता, और गैस विशेषताएं।

वी. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर्स के चार मुख्य अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर गैस डिटेक्शन के औद्योगिक और नागरिक क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, वे ओज़ोन, फॉर्माल्डिहाइड, कार्बन मोनोऑक्साइड, अमोनिया, हाइड्रोजन सल्फाइड, सल्फर डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड, ऑक्सीजन और अन्य गैसों का पता लगा सकते हैं, जिनका आम तौर पर पोर्टेबल उपकरणों और गैस ऑनलाइन मॉनिटरिंग उपकरणों में उपयोग किया जाता है।

1. मो伊टी सेंसर

आर्द्रता हवा परिवेश का महत्वपूर्ण संकेतक है, हवा की आर्द्रता और मानव शरीर के बीच उपस्थिति की गर्मी के साथ निकट सम्बन्ध है। उच्च तापमान और उच्च आर्द्रता के कारण, मानव शरीर के पानी की वाष्पीकरण कठिनाइयों से सामना करना पड़ता है और असहज महसूस होता है। कम तापमान और उच्च आर्द्रता में, मानव शरीर की गर्मी का छोड़ने की प्रक्रिया तीव्र होती है, जिससे सर्दी और जमदारी की समस्याएं आसानी से हो सकती हैं। मानव शरीर के लिए सबसे उपयुक्त तापमान 18~22℃ है, और सापेक्षिक आर्द्रता 35%~65% RH है। परिवेश और स्वास्थ्य की निगरानी में, हवा की आर्द्रता निर्धारित करने के लिए आमतौर पर गीली बलूठी थर्मो-हाइग्रोमीटर, हाथ से घुमाया जाने वाला हाइग्रोमीटर और वेंटिलेशन हाइग्रोमीटर आदि उपकरणों का उपयोग किया जाता है।

पिछले कुछ वर्षों में, हवा की नमी को निर्धारित करने के लिए सेंसरों का उपयोग करने पर बड़ी संख्या में साहित्य प्रकाशित हुए हैं। सापेक्षिक नमी को निर्धारित करने के लिए उपयोग की जाने वाली कोटेड पायेजोइलेक्ट्रिक क्वार्ट्ज क्रिस्टल को फोटोलिथोग्राफी और रासायनिक खुजली तकनीकों द्वारा छोटे क्वार्ट्ज पायेजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल बनाया जाता है, और चार पदार्थों को AT-कट 10 MHz क्वार्ट्ज क्रिस्टल पर कोट किया जाता है, जिसमें नमी के प्रति अधिक द्रव्यमान संवेदनशीलता होती है। क्रिस्टल एक आवर्ती परिपथ में एक रिझनेटर है, जिसकी आवृत्ति द्रव्यमान के साथ बदलती है, और उपयुक्त कोट का चयन करके, सेंसर का उपयोग विभिन्न गैसों की सापेक्षिक नमी को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। सेंसर की संवेदनशीलता, प्रतिक्रिया रैखिकता, प्रतिक्रिया समय, चयनितता, हिस्टेरिसिस और जीवनकाल कोटिंग रासायनिकों की प्रकृति पर निर्भर करते हैं।

ऑक्साइड सेंसर

आزोट ऑक्साइड आज़ूत के ऑक्साइड का एक प्रकार है जो गैसों के मिश्रण से बना होता है, अक्सर NOX के रूप में व्यक्त किया जाता है। आज़ूत ऑक्साइड में, आज़ूत ऑक्साइड की विभिन्न रूपों की रासायनिक स्थिरता अलग-अलग होती है, हवा में यह अक्सर रासायनिक गुणों में अधिक स्थिर एक सांद्रण ऑक्साइड और द्विआज़ूत ऑक्साइड में विभाजित होती है, उनकी स्वास्थ्य पर ध्यान अन्य आज़ूत ऑक्साइड के रूपों की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण लगती है।

पर्यावरणीय विश्लेषण में, ऑक्साइड आमतौर पर डाईऑक्साइड को ही संदर्भित करता है। चीन की मानक विधि ऑक्साइड के लिए नैफ्थैलीन ईथिलीन डाइऐमाइन हाइड्रोक्लोराइड की रंगीन विधि है, जिसकी संवेदनशीलता 0.25ug/5ml है। परिवर्तन गुणांक की विधि अवशोषक घोल की संरचना, डाईऑक्साइड की सांद्रता, गैस संग्रहण की गति, अवशोषक ट्यूब की संरचना, सह-अस्तित्वीय आयन और तापमान जैसे कई कारकों द्वारा प्रभावित होती है, जो पूरी तरह से एकजुट नहीं है। सेंसर निर्धारण वर्तमान वर्षों में विकसित की गई एक नई विधि है।

3, हाइड्रोजन सल्फाइड गैस सेंसर

सल्फाइड हाइड्रोजन एक रंगहीन, ज्वलनशील गैस है जिसमें खासा बदबू होती है, जो परितप्त करने वाली और दम रोकने वाली है, और मानव शरीर के लिए नुकसानदायक है। अधिकांश विधियाँ वायु में सल्फाइड हाइड्रोजन निर्धारित करने के लिए कैलोरिमेट्री और गैस क्रोमेटोग्राफी का उपयोग करती हैं। ऐसे वायु प्रदूषकों के निर्धारण का जिसकी मात्रा अक्सर mg/m³ स्तर तक कम होती है, गैस सेंसरों के मुख्य अनुप्रयोगों में से एक है, लेकिन अर्धचालक गैस सेंसर निश्चित प्रदूषक गैसों की निगरानी के लिए संवेदनशीलता और चयनिकता की मांग को पूरा नहीं कर पाते हैं।

चार सेंसरों से मिली हुई रजत-डॉप्ड थिन-फिल्म सेंसर एरे सल्फर डाइऑक्साइड और सल्फाइड हाइड्रोजन की सांद्रता को एक सामान्य विश्लेषक का उपयोग करके एक साथ रिकॉर्ड करती है जो कुलोमेट्रिक टाइट्रेशन पर आधारित है और अर्धचालक गैस सेंसर एरे से संकेत प्राप्त करती है। अभ्यास ने दिखाया है कि 150 °C पर निरंतर-तापमान ढंग से उपयोग की जाने वाली रजत-डॉप्ड थिन-फिल्म सेंसर शहरी वायु में सल्फाइड हाइड्रोजन की मात्रा की निगरानी के लिए प्रभावी है।

4. सल्फर डाइऑक्साइड सेंसर

सल्फर डाइऑक्साइड हवा को प्रदूषित करने वाली मुख्य पदार्थों में से एक है, और हवा में सल्फर डाइऑक्साइड का पता लगाना हवा की जाँच का नियमित हिस्सा है। सेंसरों का सल्फर डाइऑक्साइड की निगरानी में इस्तेमाल करने से बढ़िया फायदे मिले हैं, चाहे यह डिटेक्शन समय को छोटा करने में हो या डिटेक्शन सीमा को कम करने में। ठोस पॉलिमर का उपयोग आयन एक्सचेंज मेमब्रेन के रूप में किया जाता है, जिसमें मेमब्रेन के एक पक्ष पर विपरीत और संदर्भ इलेक्ट्रोड के लिए अंतर्गत इलेक्ट्रोलाइट होते हैं, और दूसरी ओर प्लैटिनम इलेक्ट्रोड को डालकर सल्फर डाइऑक्साइड सेंसर बनाया जाता है। सेंसर को फ्लो सेल में लगाया जाता है और 0.65V के वोल्टेज पर सल्फर डाइऑक्साइड का ऑक्सीकरण होता है। फिर सल्फर डाइऑक्साइड की मात्रा दर्शाई जाती है। सेंसिंग उपकरण में उच्च विद्युत धारा संवेदनशीलता, छोटा प्रतिक्रिया समय, अच्छी स्थिरता, कम पृष्ठभूमि शोर, 0.2 mmol/L का रैखिक विस्तार, 8*10-6 mmol/L की डिटेक्शन सीमा, और 3 का सिग्नल-टू-नोइज़ अनुपात है।

सेंसर हवा में सल्फर डाइऑक्साइड का पता लगा सकता है, बल्कि कम चालकता वाले तरल में सल्फर डाइऑक्साइड का पता लगाने के लिए भी उपयोग किया जा सकता है। ऑर्गेनिकली मॉडिफाइड सिलिकेट थिन फिल्म सल्फर डाइऑक्साइड गैस सेंसर की गैस-संवेदनशील कोटिंग को सॉल-जेल प्रक्रिया और स्पिन तकनीक का उपयोग करते हुए बनाया गया था। यह कोटिंग सल्फर डाइऑक्साइड के निर्धारण में उत्कृष्ट पुनरावृत्ति और प्रतिलोमता प्रदर्शित करती है, जिसका प्रतिक्रिया समय 20 सेकंड से कम है। इसके अलावा, यह अन्य गैसों के साथ कम अन्तर्क्रिया दर्शाती है और तापमान और आर्द्रता के परिवर्तनों से कम प्रभावित होती है।