Cosa sai sui sensori elettrochimici

Il sensore elettrochimico è un tipo di sensore che si basa sulle proprietà elettrochimiche dell'analita per convertire la quantità chimica in una quantità elettrica per il rilevamento e la detezione.

I primi sensori elettrochimici risalgono agli anni '50, quando venivano utilizzati per il monitoraggio dell'ossigeno. E negli anni '80, quando venivano utilizzati per monitorare una vasta gamma di gas tossici mostrando una buona sensibilità e seletività.

ⅰ. Principio di funzionamento del sensore elettrochimico

I sensori elettrochimici funzionano reagendo chimicamente con il gas misurato e producendo un segnale elettrico proporzionale alla concentrazione del gas. La maggior parte dei sensori elettrochimici genera una corrente che è linearmente proporzionale alla concentrazione del gas.

Un sensore elettrochimico per gas funziona come segue: le molecole di gas bersaglio, entrando in contatto con il sensore, attraversano prima una membrana che impedisce la condensazione e agisce anche da barriera contro la polvere. Successivamente, le molecole di gas si diffondono attraverso un tubo capillare, eventualmente attraverso un filtro successivo, e poi attraverso una membrana idrofoba fino alla superficie dell'elettrodo di rilevamento. Lì le molecole vengono immediatamente ossidate o ridotte, generando o consumando elettroni e producendo così una corrente elettrica.

È importante notare che la quantità di molecole di gas che entra nel sensore in questo modo è limitata dalla diffusione attraverso la capillare. Ottimizzando il percorso, si ottiene un segnale elettrico appropriato in base alla gamma di misura desiderata. La progettazione dell'elettrodo di rilevamento è fondamentale per ottenere una alta risponsività al gas di destinazione e per sopprimere le risposte indesiderate ai gas interferenti. Prevede un sistema a tre stadi per solidi, liquidi e gas, e tutti implicano l'identificazione chimica del gas analizzato. La cella elettrochimica è completata dall'elettrodo chiamato elettrodo controparte, l'elettrodo Cont, che bilancia la reazione all'elettrodo di rilevamento. La corrente ionica tra l'elettrodo Cont e l'elettrodo Sen è trasportata dall'elettrolita all'interno del corpo del sensore, mentre il percorso della corrente è fornito da un filo terminato da un connettore a spina. Un terzo elettrodo è generalmente incluso nei sensori elettrochimici (sensori a 3 elettrodi). Viene utilizzato un cosiddetto elettrodo di riferimento per mantenere il potenziale dell'elettrodo di rilevamento ad un valore fisso. A questo scopo e solitamente per il funzionamento dei sensori elettrochimici, è necessario un circuito a potenziale costante.

ⅱ. Componenti di un sensore elettrochimico

Il sensore elettrochimico comprende le seguenti quattro componenti chiave:

1. Membrane respiranti (anche note come membrane idrofobiche): Queste membrane servono a coprire gli elettrodi di rilevamento (catalitici) e, in alcuni casi, regolano il peso molecolare dei gas che arrivano alla superficie dell'elettrodo. Di solito, queste membrane sono fabbricate con pellicole di Teflon ad alta porosità bassa. Quando queste membrane vengono utilizzate per coprire gli elettrodi, i sensori vengono chiamati sensori rivestiti. In alternativa, può essere utilizzata una pellicola di Teflon ad alta porosità insieme a un capillare per controllare il peso molecolare del gas che arriva alla superficie dell'elettrodo. Questa configurazione è nota come sensore di tipo capillare. Oltre a fornire protezione meccanica al sensore, la pellicola funge anche da filtro, eliminando particelle indesiderate. Per garantire che il peso molecolare appropriato del gas venga fatto passare, è fondamentale selezionare la dimensione di apertura corretta sia per la membrana che per il capillare. La dimensione dell'apertura deve consentire il passaggio di un numero sufficiente di molecole di gas fino all'elettrodo di rilevamento, impedendo perdite o un rapido asciugamento dell'elettrolita liquido.

2. Elettrodo: è fondamentale selezionare con cura il materiale dell'elettrodo. Il materiale deve essere catalitico, in grado di eseguire una reazione semi-elettrolitica per un periodo prolungato. Di solito, gli elettrodi sono realizzati con metalli preziosi, come il platino o l'oro, che reagiscono efficacemente con le molecole di gas attraverso la catalisi. A seconda del progetto del sensore, i tre elettrodi possono essere costruiti con materiali diversi per facilitare la reazione elettrolitica.

3. Elettrolita: L'elettrolita deve essere in grado di facilitare le reazioni elettrolitiche e trasmettere efficientemente la carica ionica all'elettrodo. Deve inoltre formare un potenziale di riferimento stabile con l'elettrodo di riferimento ed essere compatibile con i materiali utilizzati all'interno del sensore. Inoltre, l'evaporazione rapida dell'elettrolita può portare ad un indebolimento del segnale del sensore, potenzialmente compromettendone l'accuratezza e la affidabilità.

4. Filtri: A volte, i filtri dello scrubber vengono posizionati davanti al sensore per eliminare gas indesiderati. La scelta dei filtri è limitata, con ciascun tipo che mostra un livello di efficienza distintivo. Il carbone attivo rappresenta il materiale filtrante più utilizzato, in grado di filtrare efficacemente la maggior parte dei composti chimici, escludendo il monossido di carbonio. Selezionando attentamente il mezzo filtrante appropriato, i sensori elettrochimici raggiungono un'efficienza migliorata nei confronti dei loro gas destinatari.

ⅲ. Classificazione del Sensore Elettrochimico

Esistono molti modi per classificare i sensori elettrochimici. In base ai loro segnali di output variabili, possono essere divisi in sensori potenzimetrici, amperometrici e conduttometrici.

In base alle sostanze rilevate dai sensori elettrochimici, tali sensori possono essere classificati principalmente in sensori di ioni, sensori di gas e biosensori.

ⅳ. Principali Proprietà e Fattori Influenti

1. Sensibilità

I principali fattori che influiscono sulla sensibilità includono: attività del catalizzatore, introduzione d'aria, conducibilità dell'elettrolita e temperatura ambiente.

2. Ripristino della risposta

I principali fattori che influiscono sulla velocità di ripristino della risposta sono attività del catalizzatore, conducibilità dell'elettrolita, struttura della camera a gas, proprietà del gas, ecc.

3. Selettività/Interferenza incrociata

I principali fattori che influiscono sulla selettività includono il tipo di catalizzatore, elettrolita, tensione di polarizzazione, filtro, ecc.

4. Ripetibilità/Stabilità a lungo termine

Fattori che influiscono sulla ripetibilità includono: stabilità della struttura dell'elettrodo, stabilità dell'elettrolita, stabilità del circuito a gas, ecc.

5. Prestazioni a temperature alte e basse

Fattori che influiscono sulla stabilità a temperature alte e basse includono: attività del catalizzatore, stabilità della struttura dell'elettrodo e caratteristiche del gas.

V. Quattro principali applicazioni dei sensori elettrochimici

I sensori elettrochimici vengono utilizzati ampiamente in aree industriali e civili per la rilevazione di gas, possono rilevare ozono, formaldeide, monossido di carbonio, ammoniaca, zolfo idrogeno, anidride solforosa, biossido di azoto, ossigeno e altri gas, comunemente utilizzati negli strumenti portatili e negli strumenti di monitoraggio online dei gas.

1. Sensore di umidità

L'umidità è un indicatore importante dell'ambiente atmosferico, l'umidità dell'aria ha un rapporto stretto con l'evaporazione termica del corpo umano. A temperature elevate e alta umidità, a causa delle difficoltà di evaporazione dell'acqua corporea, si prova un senso di opprimento. A bassa temperatura e alta umidità, il processo di dispersione termica del corpo umano è intenso, facilitando raffreddori e congelamenti. La temperatura più adatta per il corpo umano è di 18~22℃, con un'umidità relativa del 35%~65% RH. Nella monitorazione ambientale e sanitaria, si utilizzano comunemente strumenti come il psicrometro a sfera bagnata, il igrometro a manovella e il igrometro a ventilazione per determinare l'umidità dell'aria.

Negli ultimi anni, ci sono stati numerosi rapporti letterari sull'uso di sensori per determinare l'umidità dell'aria. I cristalli quindici piezoelettrici rivestiti utilizzati per la determinazione dell'umidità relativa vengono realizzati in piccoli cristalli quindici piezoelettrici mediante tecniche di fotolitografia e incisione chimica, e quattro sostanze vengono applicate sui cristalli quindici piezoelettrici a 10 MHz tagliati secondo la direzione AT, i quali hanno una alta sensibilità di massa all'umidità. Il cristallo è un risonatore in un circuito oscillante il cui frequenza varia con la massa, e selezionando il rivestimento appropriato, il sensore può essere utilizzato per determinare l'umidità relativa di diversi gas. La sensibilità, linearità di risposta, tempo di risposta, selettività, isteresi e durata del sensore dipendono dalla natura delle sostanze chimiche del rivestimento.

2、Sensore di ossidi di azoto

L'ossido di azoto è una varietà di ossidi di azoto composta da un miscuglio di gas, spesso espresso come NOX. Nell'ossido di azoto, la stabilità chimica delle diverse forme di ossido di azoto è diversa; nell'aria vengono solitamente distinte monossido di azoto e anidride nitrosa, con proprietà chimiche relativamente stabili, il cui significato in campo igienico appare più importante rispetto ad altre forme di ossido di azoto.

Nell'analisi ambientale, con ossido di azoto in genere ci si riferisce a biossido di azoto. Il metodo standard cinese per il monitoraggio degli ossidi di azoto è il metodo colorimetrico del naphtalene etilendiammina idrocloruro, la sensibilità del metodo è di 0,25ug/5ml, il coefficiente di conversione del metodo è influenzato dalla composizione della soluzione assorbente, dalla concentrazione di biossido di azoto, dalla velocità di raccolta del gas, dalla struttura del tubo assorbitore, dalla presenza di ioni e dalla temperatura e da molti altri fattori, non è completamente unificato. La determinazione con il sensore è un nuovo metodo sviluppato negli ultimi anni.

3, Sensore a Gas di Solfo Idrogeno

L'acido solfidrico è un gas incolore, infiammabile, con un odore caratteristico di uova marce, che è irritante e soffocante, e nocivo per l'organismo umano. La maggior parte dei metodi utilizza la calorimetria e la cromatografia a gas per determinare l'acido solfidrico nell'aria. La determinazione degli inquinanti atmosferici, il cui contenuto è spesso basso come al livello di mg/m³, è una delle principali applicazioni dei sensori a gas, ma i sensori a gas semiconduttore non riescono a soddisfare i requisiti di sensibilità e selettività per il monitoraggio di alcuni gas inquinanti in un breve periodo di tempo.

La matrice di sensori a film sottile dopato con argento è composta da quattro sensori che registrano simultaneamente le concentrazioni di biossido di zolfo e acido solfidrico utilizzando un analizzatore universale basato sulla titolazione coulometrica e i segnali dalla matrice di sensori a gas semiconduttore. La pratica ha dimostrato che i sensori a film sottile dopato con argento, utilizzati a 150 °C in modo a temperatura costante, sono efficaci per il monitoraggio del contenuto di acido solfidrico nell'aria urbana.

4. Sensore di Anidride Solforosa

L'anidride solforosa è una delle principali sostanze che inquinano l'aria, e il rilevamento dell'anidride solforosa nell'aria è una parte regolare del test dell'aria. L'applicazione dei sensori nel monitoraggio dell'anidride solforosa ha dimostrato un grande vantaggio, dalla riduzione del tempo di rilevamento all'abbassamento del limite di rilevamento. I polimeri solidi vengono utilizzati come membrane scambiatrici di ioni, con un lato della membrana contenente elettroliti interni per gli elettrodi contropolo e di riferimento, e un elettrodo di platino inserito sull'altro lato per formare il sensore di anidride solforosa. Il sensore viene montato in una cella a flusso e ossida l'anidride solforosa a una tensione di 0,65V. Successivamente viene indicato il contenuto di anidride solforosa. Il dispositivo di rilevamento mostra una alta sensibilità di corrente, un tempo di risposta breve, una buona stabilità, un basso rumore di fondo, un intervallo lineare di 0,2 mmol/L, un limite di rilevamento di 8*10-6 mmol/L e un rapporto segnale-rumore di 3.

Il sensore non solo può rilevare il biossido di zolfo nell'aria, ma può anche essere utilizzato per rilevare il biossido di zolfo in liquidi ad alta conducibilità. La rivestimento a gas sensibile del sensore di biossido di zolfo a film sottile di silicato modificato organicamente è stato realizzato utilizzando il processo sol-gel e la tecnologia di centrifuga. Questo rivestimento mostra una riproducibilità e reversibilità eccellenti nel determinare il biossido di zolfo, con un tempo di risposta rapido di meno di 20 secondi. Inoltre, dimostra una minima interazione con altri gas ed è poco influenzato da cambiamenti di temperatura e umidità.