電気化学センサーについてどれくらい知っていますか？

電気化学センサーは、分析対象物の電気化学的特性を利用して、化学量を電気信号に変換し、検出を行うタイプのセンサーです。

最初の電気化学センサーは1950年代にまでさかのぼり、酸素モニタリングに使用されていました。そして1980年代には、多くの有毒ガスを監視するために使用され、良好な感度と選択性を示しました。

ⅰ. 電気化学センサーの動作原理

電気化学センサーは、測定ガスと化学的に反応し、ガス濃度に比例する電気信号を生成して動作します。ほとんどの電気化学ガスセンサーは、ガス濃度に線形比例する電流を発生させます。

電気化学ガスセンサーの動作は以下の通りです： ターゲットガス分子がセンサーに接触すると、最初に結露を防ぎ、同時に埃のバリアとしても機能するダイアフラムを通ります。その後、ガス分子はキャピラリーチューブを透過し、場合によってはフィルターを通った後、疎水性膜を通過して感応電極の表面に到達します。そこにおいて分子は直ちに酸化または還元され、電子が生成または消費されて電流が発生します。

ガス分子がセンサーにこのように進入する量は、キャピラリーを通じた拡散によって制限されることに注意が必要です。経路を最適化することで、望ましい測定範囲に応じた適切な電気信号が得られます。感応電極の設計は、目的のガスに対する高い応答性を実現し、干渉ガスによる不要な応答を抑えるために重要です。これは固体、液体、およびガス用の3段階システムを含んでおり、すべてにおいて分析対象ガスの化学的識別が行われます。電気化学セルは、感応電極での反応をバランスさせるいわゆるカウンターエレクトロード（Cont電極）によって完成されます。Cont電極とSen電極の間のイオン電流は、センサ本体内の電解質によって運ばれ、電流経路はピンコネクタで終端されたワイヤーによって提供されます。電気化学センサーには通常、第三の電極（3電極センサー）が含まれています。いわゆるリファレンス電極は、感応電極のポテンシャルを固定値に保つために使用されます。この目的のために、そして通常は電気化学センサーの動作のために、定電位回路が必要とされます。

ⅱ. 電気化学センサーの構成要素

電気化学センサーは次の4つの主要な構成要素で構成されています：

1. 通気性膜（別名：疎水性膜）：これらの膜はセンシング（触媒）電極を覆うために使用され、場合によっては、電極表面に到達するガスの分子量を調整します。通常、これらの膜は低孔性のテフロンフィルムで作られます。これらの膜が電極を覆うために使用される場合、そのセンサーは「コーティングされたセンサー」と呼ばれます。一方で、高孔性のテフロンフィルムと毛細管を使用して、電極表面に到達するガスの分子量を制御することもできます。この構成は「毛細管型センサー」として知られています。センサーへの機械的保護の他に、フィルムは不要な粒子を取り除くためのフィルターとしても機能します。適切なガス分子量が通過できるよう、膜と毛細管の適切な開口サイズを選択することが重要です。開口サイズは、十分なガス分子がセンシング電極に到達できるようにしつつ、液体電解質の漏れや急速な乾燥を防ぐ必要があります。

2. 電極: 電極材質の選択は非常に重要です。その材質は触媒作用を持ち、長期間にわたって半電解反応を実行できる必要があります。通常、電極は白金や金などの貴金属で作られ、これらはガス分子と効率的に反応し触媒作用を発揮します。センサーの設計によっては、3つの電極が異なる材質で構成され、電解反応を促進することがあります。

3. 電解質: 電解質は電解反応を促進し、イオン電荷を電極に効率的に変換する能力が必要です。また、基準電極と共に安定した基準電位を形成し、センサー内に使用される素材と互換性を持つ必要があります。さらに、電解質の急速な蒸発はセンサー信号の弱まりにつながり、その精度や信頼性を損なう可能性があります。

4. フィルター: 時には、センサーの前にスクラブフィルターが配置され、不要なガスを除去します。フィルターの選択肢は限られており、それぞれの種類が異なる効率を持っています。活性炭は最も広く使用されているフィルター材料で、一酸化炭素を除いてほとんどの化学物質を効果的にろ過します。適切なフィルターメディアを選定することで、電気化学センサーは目的とするガスに対する高い選択性を得ることができます。

ⅲ. 電気化学センサーの分類

電気化学センサーを分類する方法はさまざまです。出力信号の違いによって、ポテンショメトリックセンサー、アンペロメトリックセンサー、そしてコンダクトメトリックセンサーに分けられます。

検出する物質に基づき、電気化学センサーは主にイオンセンサー、ガスセンサー、バイオセンサーに分類されます。

ⅳ. 主な特性および影響要因

1. 靈敏度

感度に影響を与える主な要因には、触媒の活性、空気取り入れ、電解質の伝導率、および周囲温度が含まれます。

2. 応答回復

応答回復速度に影響を与える主な要因は、触媒の活性、電解質の伝導率、ガス室の構造、ガスの特性などです。

3. 選択性／クロス干渉

選択性に影響を与える主な要因には、触媒の種類、電解質、バイアス電圧、フィルターなどが含まれます。

4. 再現性／長期安定性

再現性に影響を与える要因には、電極構造の安定性、電解質の安定性、ガス回路の安定性などがあります。

5. 高低温性能

高低温安定性に影響を与える要因には、触媒の活性、電極構造の安定性、ガス特性などがあります。

V. 電気化学センサーの四大応用

電気化学センサーは、ガス検出の工業および民生分野で広く使用されており、オゾン、ホルムアルデヒド、一酸化炭素、アンモニア、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、酸素などのガスを検出でき、携帯型機器やガスオンライン監視機器で一般的に使用されています。

1. 湿度センサー

湿度は空気環境の重要な指標であり、空気の湿度と人体には蒸発熱との密接な関係があります。高温多湿の場合、人体の水分蒸発が困難になり、息苦しさを感じます。低温多湿の場合、人体の放散過程が激しくなり、風邪や凍傷を引き起こしやすくなります。人体にとって最も適した温度は18〜22℃で、相対湿度は35％〜65％RHです。環境および健康監視では、通常、湿球乾球式温湿度計、手回し湿度計、換気湿度計などの器具を使用して空気の湿度を測定します。

近年、多くの文献でセンサーを使用して空気の湿度を測定する報告があります。相対湿度を測定するために使用されるコーティングされた圧電石英結晶は、フォトリソグラフィーと化学エッチング技術によって小型の圧電石英結晶に加工され、4つの物質が湿度に対して高い質量感度を持つATカット10 MHz石英結晶に塗布されます。この結晶は、質量に応じて周波数が変化する振動回路における共鳴器であり、適切なコーティングを選択することで、センサーは異なるガスの相対湿度を測定するために使用できます。センサーの感度、応答線形性、応答時間、選択性、ヒステリシス、寿命は、コーティング化学物質の性質に依存します。

2、窒素酸化物センサー

窒素酸化物は、混合ガスで構成される窒素のさまざまな酸化物の一種であり、通常NOXと表されます。窒素酸化物では、その化学的な安定性は形態によって異なります。空気中では、比較的化学的に安定な一酸化窒素と二酸化窒素に分けられ、衛生面での重要性は他の形態の窒素酸化物よりも高いと考えられています。

環境分析において、窒素酸化物は一般的に二酸化窒素を指します。中国の窒素酸化物のモニタリング標準方法は、ナフチレンエチレンドiamine塩化水素の比色法であり、この方法の感度は0.25ug/5mlです。変換係数の方法は、吸収液の組成、二酸化窒素の濃度、ガス収集速度、吸収管の構造、共存イオンおよび温度など多くの要因に影響され、完全には統一されていません。センサ測定は、近年開発された新しい方法です。

3、硫化水素ガスセンサー

硫化水素は無色で燃えやすいガスであり、特有の腐った卵のような臭いを持ち、刺激臭があり、窒息性があり、人体に有害です。ほとんどの方法では、空気中の硫化水素を測定するために比色法とガスクロマトグラフィーが使用されます。含量がしばしばmg/m3レベルまで低い大気汚染物質の測定は、ガスセンサーの主要な応用の一つですが、半導体ガスセンサーは、特定の汚染ガスを短時間で監視するための感度や選択性の要件を満たすことができません。

銀ドープ薄膜センサーアレイは、4つのセンサーで構成され、クーロメトリック滴定に基づく普遍的なアナライザーと半導体ガスセンサーアレイからの信号を使用して、二酸化硫黄と硫化水素の濃度を同時に記録します。実践によれば、150°Cで定温的に使用される銀ドープ薄膜センサーは、都市の大気中の硫化水素含有量を監視するために効果的であることが示されています。

4. 二酸化硫黄センサ

二酸化硫黄は大気を汚染する主要な物質の一つであり、大気中の二酸化硫黄を検出することは空気テストの通常の一部です。センサの監視における応用は、検出時間を短縮し、検出限界を低下させるという大きな優位性を見せています。固体ポリマーはイオン交換膜として使用され、膜の一方にはカウンタ電極と参照電極の内部電解質が含まれており、もう一方には白金電極が挿入されて二酸化硫黄センサが形成されます。このセンサはフローセルに取り付けられ、0.65Vの電圧で二酸化硫黄を酸化します。その後、二酸化硫黄の含有量が示されます。この感測装置は高い電流感度、短い応答時間、良い安定性、低い背景ノイズを持ち、線形範囲は0.2 mmol/L、検出限界は8*10^-6 mmol/L、信号対雑音比は3です。

このセンサーは、空気中の二酸化硫黄を検出するだけでなく、低電解度液体中の二酸化硫黄も検出可能です。有機修飾シリケート薄膜の二酸化硫黄ガスセンサーのガス感応性コーティングは、ソルゲル法とスピン技術を利用して作製されました。このコーティングは二酸化硫黄の測定において優れた再現性と可逆性を持ち、20秒未満の高速応答時間を示します。さらに、他のガスとの相互作用が最小限に抑えられており、温度や湿度の変化による影響も少ないです。