Apa yang Anda ketahui tentang sensor elektrokimia?

Sensor elektrokimia adalah jenis sensor yang mengandalkan sifat elektrokimia dari analit untuk mengubah kuantitas kimia menjadi kuantitas listrik untuk deteksi dan penginderaan.

Sensor elektrokimia pertama kali muncul pada tahun 1950-an, ketika digunakan untuk pemantauan oksigen. Dan pada tahun 1980-an, ketika digunakan untuk memantau berbagai gas toksik dengan sensitivitas dan selektivitas yang baik.

ⅰ. Prinsip kerja sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia bekerja dengan bereaksi secara kimia dengan gas yang diukur dan menghasilkan sinyal listrik yang sebanding dengan konsentrasi gas. Sebagian besar sensor gas elektrokimia menghasilkan arus yang secara linier sebanding dengan konsentrasi gas.

Sebuah sensor gas elektrokimia bekerja sebagai berikut: Molekul gas sasaran yang bersentuhan dengan sensor terlebih dahulu melewati selaput yang mencegah kondensasi dan juga berfungsi sebagai penghalang debu. Kemudian molekul gas tersebut menyebar melalui tabung kapiler, kemungkinan melalui filter berikutnya, dan kemudian melalui membran hidrofob ke permukaan elektroda pengindera. Di sana molekul-molekul tersebut langsung mengalami oksidasi atau reduksi, sehingga menghasilkan atau mengonsumsi elektron untuk menghasilkan arus listrik.

Penting untuk dicatat bahwa jumlah molekul gas yang memasuki sensor dengan cara ini dibatasi oleh difusi melalui kapiler. Dengan mengoptimalkan jalur, sinyal listrik yang sesuai diperoleh sesuai dengan rentang pengukuran yang diinginkan. Desain elektroda penginderaan sangat penting untuk mencapai respons tinggi terhadap gas target dan menekan respons yang tidak diinginkan terhadap gas gangguan. Ini melibatkan sistem tiga tahap untuk benda padat, cairan, dan gas, dan semuanya melibatkan identifikasi kimia gas analit. Sel eletrokimia dilengkapi oleh elektroda kontra, yang disebut elektroda Cont, yang menyeimbangkan reaksi pada elektroda penginderaan. Arus ionik antara elektroda Cont dan elektroda Sen ditransportasikan oleh elektrolit di dalam tubuh sensor, sementara jalur arus disediakan melalui kawat yang diakhiri dengan konektor pin. Elektroda ketiga biasanya termasuk dalam sensor eletrokimia (sensor 3-elektroda). Elektroda referensi digunakan untuk menjaga potensial elektroda penginderaan pada nilai tetap. Untuk tujuan ini dan biasanya untuk operasi sensor eletrokimia, rangkaian potensial konstan diperlukan.

ⅱ. Komponen-komponen dari sebuah sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia terdiri dari empat komponen utama berikut:

1. Membran berpori (juga dikenal sebagai membran hidrofobik): Membran ini berfungsi untuk menutupi elektroda pengindera (katalitik) dan, dalam beberapa kasus, mengatur berat molekul gas yang mencapai permukaan elektroda. Biasanya, membran ini dibuat dari film Teflon dengan porositas rendah. Ketika membran ini digunakan untuk menutupi elektroda, sensor tersebut disebut sebagai sensor bertutup. Sebagai alternatif, film Teflon dengan porositas tinggi dapat digunakan bersama dengan kapiler untuk mengontrol berat molekul gas yang mencapai permukaan elektroda. Konfigurasi ini dikenal sebagai sensor jenis kapiler. Selain memberikan perlindungan mekanis bagi sensor, film ini juga berfungsi sebagai filter, menghilangkan partikel yang tidak diinginkan. Untuk memastikan berat molekul gas yang sesuai diizinkan untuk melewati, sangat penting untuk memilih ukuran lubang yang tepat baik untuk membran maupun kapiler. Ukuran lubang harus memungkinkan cukup banyak molekul gas untuk mencapai elektroda pengindera sambil mencegah kebocoran atau pengeringan cepat elektrolit cair.

2. Elektroda: Penting untuk secara hati-hati memilih bahan elektroda. Bahan tersebut harus bersifat katalitik, mampu melakukan reaksi semi-elektrolisis selama periode yang panjang. Biasanya, elektroda dibuat dari logam mulia, seperti platinum atau emas, yang bereaksi dengan efisien dengan molekul gas melalui katalisis. Bergantung pada desain sensor, ketiga elektroda dapat terbuat dari bahan yang berbeda untuk memfasilitasi reaksi elektrolisis.

3. Elektrolit: Elektrolit harus mampu memfasilitasi reaksi elektrolisis dan secara efisien mentransduksi muatan ion ke elektroda. Elektrolit juga harus membentuk potensi referensi yang stabil dengan elektroda referensi dan kompatibel dengan bahan-bahan yang digunakan di dalam sensor. Selain itu, penguapan cepat elektrolit dapat menyebabkan pelemahan sinyal sensor, yang dapat mengurangi akurasi dan keandalannya.

4. Filter: Sesekali, filter scrubber ditempatkan di depan sensor untuk menghilangkan gas tidak diinginkan. Pilihan filter terbatas, dengan setiap jenis menunjukkan tingkat efisiensi yang berbeda. Arang aktif merupakan bahan filter yang paling banyak digunakan, secara efektif menyaring sebagian besar bahan kimia, kecuali monoksida karbon. Dengan memilih media filter yang tepat, sensor elektrokimia mencapai selektivitas yang lebih tinggi terhadap gas yang dimaksud.

ⅲ. Klasifikasi Sensor Elektrokimia

Ada banyak cara untuk mengklasifikasikan sensor elektrokimia. Bergantung pada sinyal keluaran yang berbeda, mereka dapat dibagi menjadi sensor potensiomatrik, sensor amperometrik, dan sensor konduktometrik.

Berdasarkan zat yang dideteksi oleh sensor elektrokimia, sensor elektrokimia dapat diklasifikasikan menjadi sensor ion, sensor gas, dan biosensor.

ⅳ. Sifat Utama dan Faktor Pengaruh

1. Kesensitifan

Faktor utama yang memengaruhi sensitivitas meliputi: aktivitas katalis, pengambilan udara, konduktivitas elektrolit, dan suhu lingkungan.

2. Pemulihan respons

Faktor utama yang memengaruhi kecepatan pemulihan respons adalah aktivitas katalis, konduktivitas elektrolit, struktur ruang gas, sifat gas, dll.

3. Selektivitas/Interferensi silang

Faktor utama yang memengaruhi selektivitas meliputi jenis katalis, elektrolit, tegangan bias, filter, dll.

4. Repeatabilitas/Stabilitas jangka panjang

Faktor yang memengaruhi repeatabilitas meliputi: stabilitas struktur elektroda, stabilitas elektrolit, stabilitas rangkaian gas, dll.

5. Kinerja suhu tinggi dan rendah

Faktor yang memengaruhi stabilitas suhu tinggi dan rendah meliputi: aktivitas katalis, stabilitas struktur elektroda, dan karakteristik gas.

V. Empat aplikasi utama sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia secara luas digunakan di bidang industri dan sipil untuk deteksi gas, dapat mendeteksi ozon, formaldehid, monoksida karbon, amonia, belerang hidrogen, dioksida belerang, dioksida nitrogen, oksigen, dan gas lainnya, sering digunakan dalam instrumen portabel dan pemantauan gas online.

1. Sensor Kelembapan

Kelembapan adalah indikator penting dari lingkungan udara, kelembapan udara memiliki hubungan erat dengan penguapan panas tubuh manusia. Pada suhu tinggi dan kelembapan tinggi, karena kesulitan air dalam tubuh untuk menguap, tubuh akan merasa pengap. Pada suhu rendah dan kelembapan tinggi, proses pelepasan panas tubuh menjadi intens, mudah menyebabkan pilek dan pembekuan. Suhu yang paling cocok untuk tubuh manusia adalah 18~22℃, dengan kelembapan relatif 35%~65% RH. Dalam pemantauan lingkungan dan kesehatan, umumnya digunakan alat seperti termohigrometer bola basah, higrometer engkol tangan, dan higrometer ventilasi untuk menentukan kelembapan udara.

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak laporan literatur tentang penggunaan sensor untuk menentukan kelembapan udara. Kristal kuartz piezoelektrik yang dilapisi digunakan untuk menentukan kelembapan relatif dan dibuat menjadi kristal kuartz piezoelektrik kecil dengan teknik fotolitografi dan pelapisan kimia, serta empat zat dilapisi pada kristal kuartz 10 MHz potongan AT, yang memiliki sensitivitas massa tinggi terhadap kelembapan. Kristal tersebut merupakan resonator dalam rangkaian osilasi yang frekuensinya bervariasi dengan massa, dan dengan memilih pelapis yang sesuai, sensor dapat digunakan untuk menentukan kelembapan relatif dari berbagai gas. Sensitivitas, linearitas respons, waktu respons, selektivitas, histeresis, dan masa pakai sensor bergantung pada sifat bahan kimia pelapis.

2、Sensor oksida nitrogen

Oksida nitrogen adalah berbagai macam oksida nitrogen yang terdiri dari campuran gas, sering dinyatakan sebagai NOX. Dalam oksida nitrogen, stabilitas kimia dari bentuk-bentuk oksida nitrogen berbeda-beda, udara sering dibagi menjadi monoksida nitrogen dan dioksida nitrogen yang memiliki sifat kimia relatif stabil, signifikansi mereka dalam higiene tampaknya lebih penting daripada bentuk lain dari oksida nitrogen.

Dalam analisis lingkungan, nitrogen oksida umumnya merujuk pada dioksida nitrogen. Metode standar Tiongkok untuk pemantauan nitrogen oksida adalah metode kolorimetri nftalena etilenodiamin hidroklorida, kepekaan metode ini adalah 0,25ug/5ml, koefisien konversi metode dipengaruhi oleh komposisi larutan penyerap, konsentrasi dioksida nitrogen, kecepatan pengumpulan gas, struktur tabung penyerap, keberadaan ion bersama dan suhu serta banyak faktor lainnya, tidak sepenuhnya terstandarisasi. Penentuan dengan sensor adalah metode baru yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir.

3、Sensor Gas Sulfida Hidrogen

Hidrogen sulfida adalah gas yang tidak berwarna, dapat terbakar, dengan bau telur busuk yang khas, yang bersifat mengiritasi dan menyebabkan sesak napas, serta berbahaya bagi tubuh manusia. Sebagian besar metode menggunakan kalorimetri dan kromatografi gas untuk menentukan hidrogen sulfida di udara. Penentuan polutan udara yang kadarnya seringkali rendah pada tingkat mg/m3 merupakan salah satu aplikasi utama dari sensor gas, tetapi sensor gas semikonduktor tidak mampu memenuhi persyaratan sensitivitas dan selektivitas untuk memantau beberapa gas polutan dalam waktu singkat.

Array sensor lapisan tipis berdoping perak terdiri dari empat sensor yang secara simultan mencatat konsentrasi dioksida sulfur dan hidrogen sulfida menggunakan analisis universal berdasarkan titrasi koulometrik dan sinyal dari array sensor gas semikonduktor. Praktik telah menunjukkan bahwa sensor lapisan tipis berdoping perak yang digunakan pada suhu konstan 150 °C efektif untuk memantau kadar hidrogen sulfida di udara perkotaan.

4. Sensor Dioksida Sulfur

Dioksida sulfur adalah salah satu zat utama yang mencemari udara, dan pendeteksian dioksida sulfur di udara merupakan bagian rutin dari pengujian udara. Penerapan sensor dalam pemantauan dioksida sulfur telah menunjukkan keunggulan besar, mulai dari memperpendek waktu deteksi hingga menurunkan batas deteksi. Polimer padat digunakan sebagai membran pertukaran ion, dengan satu sisi membran berisi elektrolit internal untuk elektroda kontra dan referensi, serta elektroda platinum yang disisipkan pada sisi lainnya untuk membentuk sensor dioksida sulfur. Sensor ini dipasang di sel aliran dan mengoksidasi dioksida sulfur pada tegangan 0,65V. Kandungan dioksida sulfur kemudian ditampilkan. Perangkat penginderaan menunjukkan sensitivitas arus tinggi, waktu respons singkat, stabilitas yang baik, noise latar belakang rendah, rentang linear 0,2 mmol/L, batas deteksi 8*10-6 mmol/L, dan rasio sinyal-ke-noise sebesar 3.

Sensor ini tidak hanya dapat mendeteksi dioksida belerang di udara, tetapi juga dapat digunakan untuk mendeteksi dioksida belerang dalam cairan dengan konduktivitas rendah. Lapisan peka gas dari sensor gas dioksida belerang berbahan silikat yang dimodifikasi secara organik dibuat menggunakan proses sol-gel dan teknologi spin. Lapisan ini menunjukkan reproduktivitas dan reversibilitas yang sangat baik dalam penentuan dioksida belerang, dengan waktu respons cepat kurang dari 20 detik. Selain itu, lapisan ini menunjukkan interaksi minimal dengan gas lain dan minim dipengaruhi oleh perubahan suhu dan kelembapan.