Apa yang anda tahu tentang sensor elektrokimia

Pengesan elektrokimia adalah jenis pengesan yang bergantung kepada sifat-sifat elektrokimia analit untuk menukar kuantiti kimia kepada kuantiti elektrik bagi tujuan pengesanan.

Sensor elektrokimia terawal bermula pada 1950-an, apabila ia digunakan untuk pemantauan oksigen. Dan ke 1980-an, apabila ia digunakan untuk memantau julat luas gas beracun dan menunjukkan kepekaan dan pilihan yang baik.

ⅰ. Prinsip kerja sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia bekerja dengan bertindak balas secara kimia dengan gas yang diukur dan menghasilkan isyarat elektrik yang berkadar kepada konsentrasi gas. Kebanyakan sensor gas elektrokimia menghasilkan arus yang secara linear berkadar kepada konsentrasi gas.

Pengesan gas elektrokimia berfungsi seperti berikut: Molekul gas sasaran yang bersentuhan dengan pengesan terlebih dahulu melalui selaput yang menghalang kondensasi dan juga bertindak sebagai penghalang debu. Kemudian molekul gas itu menyebar melalui tiub kapilari, mungkin melalui penapis seterusnya, dan kemudian melalui membran hidrofob ke permukaan elektrod pengesan. Di situ molekul-molekul itu segera doksida atau direduksi, dengan itu menghasilkan atau menggunakan elektron untuk menghasilkan arus elektrik.

Perlu diperhatikan bahawa jumlah molekul gas yang memasuki sensor dengan cara ini adalah terhad oleh penyebaran melalui kapilari. Dengan mengoptimumkan laluan, isyarat elektrik yang sesuai diperoleh mengikut julat pengukuran yang diingini. Reka bentuk elektrod pengesan adalah penting untuk mencapai tanggapan yang tinggi terhadap gas sasaran dan untuk menekan tanggapan yang tidak dikehendaki terhadap gas gangguan. Ia melibatkan sistem tiga peringkat untuk pepejal, cecair dan gas, dan semuanya melibatkan pengenalan kimia gas analit. Sel elektrokimia dilengkapkan oleh elektrod pembanding, elektrod Cont, yang menyeimbangkan tindak balas pada elektrod pengesan. Arus ion antara elektrod Cont dan elektrod Sen dipindahkan oleh elektrolit di dalam badan sensor, manakala laluan arus disediakan melalui wayar yang bertamat dengan penyambung pin. Elektrod ketiga biasanya termasuk dalam sensor elektrokimia (sensor 3-elektrod). Elektrod rujukan digunakan untuk mengekalkan potensi elektrod pengesan pada nilai tetap. Untuk tujuan ini dan biasanya untuk operasi sensor elektrokimia, litar potensi malar diperlukan.

ⅱ. Komponen-komponen sebuah sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia terdiri daripada empat komponen utama berikut:

1. Membran berpernafasan (juga dikenali sebagai membran hidrofobik): Membran ini berkhidmat untuk menutupi elektrod pengesan (katalistik) dan, dalam sesetengah kes, mengawal berat molekul gas yang sampai ke permukaan elektrod. Biasanya, membran ini dibina daripada filem Teflon dengan porositi rendah. Apabila membran ini digunakan untuk menutupi elektrod, penderia dipanggil penderia dilapisi. Sebagai alternatif, filem Teflon dengan porositi tinggi boleh digunakan bersama-sama dengan kapilari untuk mengawal berat molekul gas yang sampai ke permukaan elektrod. Konfigurasi ini dikenali sebagai penderia jenis kapilari. Selain memberikan perlindungan mekanikal kepada penderia, filem ini juga berfungsi sebagai penapis, membuang zarah-zarah yang tidak diingini. Untuk memastikan berat molekul gas yang sesuai diperkenankan melalui, sangat penting untuk memilih saiz lubang yang betul untuk kedua-dua membran dan kapilari. Saiz lubang mesti membenarkan jumlah molekul gas yang mencukupi untuk sampai ke elektrod pengesan sambil mengelakkan kebocoran atau pengeringan pantas elektrolit cecair.

2. Elektrod: Ia amat penting untuk memilih bahan elektrod dengan teliti. Bahan tersebut harus bersifat katalitik, mampu menjalankan tindak balas elektrolisis separuh dalam tempoh yang panjang. Biasanya, elektrod dibuat daripada logam berharga, seperti platinum atau emas, yang berinteraksi secara cekap dengan molekul gas melalui katalisis. Bergantung kepada rekabentuk pengesan, ketiga-tiga elektrod mungkin dibina daripada bahan yang berbeza untuk memudahkan tindak balas elektrolisis.

3. Elektrolit: Elektrolit mestilah mampu memfasilitasi tindak balas elektrolisis dan mentransduksikan cas ionik dengan cekap kepada elektrod. Ia juga mestilah membentuk potensi rujukan yang stabil dengan elektrod rujukan dan serasi dengan bahan-bahan yang digunakan dalam pengesan. Selain itu, penguapan pantas elektrolit boleh menyebabkan melemahnya isyarat pengesan, yang mungkin mengompromi kejituan dan kebolehpercayaannya.

4. Penapis: Kadang-kadang, penapis scrubber diletakkan di hadapan pengesan untuk mengeluarkan gas yang tidak diingini. Pilihan penapis adalah terhad, dengan setiap jenis memperlihatkan tahap kecekapan yang berbeza. Karbon aktif merupakan bahan penapis yang paling banyak digunakan, secara efektif menyaring kebanyakan bahan kimia, melainkan karbon monoksida. Dengan memilih media penapis yang sesuai dengan teliti, pengesan elektrokimia mencapai selektiviti yang lebih tinggi terhadap gas yang dimaksudkan.

ⅲ. Klasifikasi Pengesan Elektrokimia

Terdapat banyak cara untuk mengklasifikasikan pengesan elektrokimia. Bergantung kepada isyarat keluaran yang berbeza, mereka boleh dibahagikan kepada pengesan potensi, pengesan amperometrik, dan pengesan konduktometrik.

Berdasarkan pada bahan yang dikesan oleh pengesan elektrokimia, pengesan elektrokimia boleh dikategorikan kepada pengesan ion, pengesan gas dan biosensor.

ⅳ. Ciri-ciri Utama dan Faktor-faktor Yang Mempengaruhi

1. Kep sensitifan

Faktor utama yang mempengaruhi kepekaan termasuk: aktiviti katalis, penyusunan udara, kekonduktivitan elektrolit, dan suhu persekitaran.

2. Pemulihan respons

Faktor utama yang mempengaruhi kelajuan pemulihan respons adalah aktiviti katalis, kekonduktivitan elektrolit, struktur bilik gas, sifat gas, dll.

3. Selektiviti/Kesan silang

Faktor utama yang mempengaruhi selektiviti termasuk jenis katalis, elektrolit, voltan bias, penapis, dll.

4. Ketepatan semula/Penstabilan jangka panjang

Faktor yang mempengaruhi ketepatan semula termasuk: kestabilan struktur elektrod, kestabilan elektrolit, kestabilan litar gas, dll.

5. Prestasi suhu tinggi dan rendah

Faktor yang mempengaruhi kestabilan suhu tinggi dan rendah termasuk: aktiviti katalis, kestabilan struktur elektrod, dan ciri-ciri gas.

V. Empat aplikasi utama penghisap elektrokimia

Penjana elektrokimia digunakan secara meluas dalam kawasan perindustrian dan awam untuk pengesanan gas, boleh mengesan gas seperti ozon, formaldehid, karbon monoksida, ammonia, hidrogen sulfida, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, oksigen dan gas lain, biasanya digunakan dalam alatan mudah alih dan pemantauan gas dalam talian.

1. Penjana Kekerapan

Kekerapan adalah penanda penting dalam persekitaran udara, kekerapan udara dan badan manusia mempunyai hubungan rapat dengan haba penguapan, suhu tinggi dan kelembapan tinggi, disebabkan kesukaran air dalam tubuh untuk menguap dan merasa sesak, suhu rendah dan kelembapan tinggi, proses pelarutan haba badan menjadi teruk, mudah menyebabkan sejuk dan kedinginan. Suhu yang paling sesuai untuk tubuh manusia adalah 18~22℃, kelembapan relatif adalah 35%~65% RH. Dalam pemantauan persekitaran dan kesihatan, ia biasanya menggunakan alat seperti termometer higrometer bola basah, higrometer pegangan tangan dan higrometer ventilasi untuk menentukan kelembapan udara.

Dalam beberapa tahun terakhir, terdapat banyak laporan literatur tentang penggunaan sensor untuk menentukan kelembapan udara. Kristal kuartza piezoketek yang dilapisi digunakan untuk menentukan kelembapan relatif dibuat menjadi kristal kuartza piezoketek kecil melalui teknik fotolitografi dan pengekalan kimia, dan empat bahan dilapisi pada kristal kuartza AT-potongan 10 MHz, yang mempunyai kepekaan jisim tinggi terhadap kelembapan. Kristal itu adalah resonator dalam litar berayun di mana frekuensinya berbeza dengan jisim, dan dengan memilih pelapisan yang sesuai, sensor boleh digunakan untuk menentukan kelembapan relatif gas yang berbeza. Kepekaan, lineariti respon, masa respon, selektiviti, histeresis dan tempoh hayat sensor bergantung kepada sifat bahan kimia pelapisan.

2、Sensor oksida nitrogen

Oksida nitrogen adalah pelbagai jenis oksida nitrogen yang terdiri daripada campuran gas, sering dinyatakan sebagai NOX. Dalam oksida nitrogen, kestabilan kimia bagi bentuk-bentuk berbeza oksida nitrogen adalah berbeza, dan dalam udara, ia biasanya dibahagikan kepada monoksida nitrogen dan dioksida nitrogen yang mempunyai sifat kimia yang lebih stabil. Kepentingannya dalam bidang kesihatan nampaknya lebih signifikan berbanding dengan bentuk-bentuk lain oksida nitrogen.

Dalam analisis alam sekitar, nitrogen oksida secara amnya merujuk kepada nitrogen dioksida. Kaedah piawai China untuk memantau nitrogen oksida ialah kaedah warna naphthalene ethylenediamine hidroklorida, kepekaan kaedah ini adalah 0.25ug/5ml, pekali penukaran kaedah dipengaruhi oleh komposisi larutan penyerap, konsentrasi nitrogen dioksida, kelajuan pengumpulan gas, struktur paip penyerap, kehadiran ion dan suhu serta banyak faktor lain, tidak sepenuhnya bersatu padu. Penentuan sensor adalah kaedah baru yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir.

3、Penjelma Gas Sulfida Hidrogen

Hidrogen sulfida adalah gas yang tidak berwarna, dapat terbakar, dengan bau telur busuk yang khas, yang menyebabkan iritasi dan sesak napas, serta berbahaya bagi tubuh manusia. Kebanyakan kaedah menggunakan kalorimetri dan kromatografi gas untuk menentukan hidrogen sulfida dalam udara. Penentuan polutan udara yang kadang-kadang kandungannya hanya pada tahap mg/m3 merupakan salah satu aplikasi utama pengesan gas, tetapi pengesan gas semikonduktor tidak mampu memenuhi keperluan sensitiviti dan pilihan untuk mengawasi beberapa gas pencemar dalam tempoh masa yang singkat.

Senarai pengesan filem nipis diperkayu dengan perak terdiri daripada empat pengesan yang secara serentak mencatat konsentrasi sulfur dioksida dan hidrogen sulfida menggunakan analisis universal berdasarkan títresis koulometrik dan isyarat dari senarai pengesan gas semikonduktor. Amalan telah menunjukkan bahawa pengesan filem nipis diperkayu dengan perak yang digunakan pada 150 °C dengan cara suhu malar adalah cekap untuk mengawasi kandungan hidrogen sulfida dalam udara bandar.

4. Penjana Sulfur Dioxide

Sulfur dioxide merupakan salah satu bahan utama yang mencemari udara, dan pengesanan sulfur dioxide dalam udara adalah sebahagian biasa daripada ujian udara. Penggunaan penjana dalam memantau sulfur dioxide telah menunjukkan kelebihan besar, dari memendekkan masa pengesanan hingga menurunkan had pengesanan. Polimer pepejal digunakan sebagai membran pertukaran ion, dengan satu sisi membran mengandungi elektrolit dalaman untuk elektrod kontra dan rujukan, dan satu elektrod platinum dimasukkan pada sisi lain untuk membentuk penjana sulfur dioxide. Penjana ini dipasang dalam sel aliran dan mengoksida sulfur dioxide pada voltan 0.65V. Kandungan sulfur dioxide kemudian ditunjukkan. Peranti pengesan mempamerkan kepekaan arus tinggi, masa tindak balas pendek, kestabilan baik, bunyi latar belakang rendah, julat linear 0.2 mmol/L, had pengesanan 8*10-6 mmol/L, dan nisbah isyarat-kewarasan 3.

Penjana tidak hanya boleh mengesan sulfur dioksida dalam udara, tetapi juga boleh digunakan untuk mengesan sulfur dioksida dalam cecairan dengan kekonduktan rendah. Lapisan peka gas bagi penjana sulfur dioksida filem tipis silikat yang telah diubah suai secara organik telah dibina dengan menggunakan proses sol-gel dan teknologi spin. Lapisan ini menunjukkan keterulangan dan keterbalikan yang cemerlang dalam penentuan sulfur dioksida, dengan masa tindak balas yang pantas kurang dari 20 saat. Selain itu, ia menunjukkan saling tindak yang minimum dengan gas lain dan dipengaruhi sepertimana oleh perubahan suhu dan kelembapan.