Co wiesz o elektrochemicznych czujnikach?

Elektrokemiczny czujnik to rodzaj czujnika, który opiera się na elektrokemicznych właściwościach analitu, aby przekształcić ilość chemiczną w ilość elektryczną w celu wykrywania.

Najwcześniejsze czujniki elektrochemiczne pochodzą z lat 50., kiedy były używane do monitorowania tlenku. A w latach 80., gdy były wykorzystywane do monitorowania szerokiej gamy gazów toksycznych i pokazywały dobrą czułość i selektywność.

ⅰ. Zasada działania czujnika elektrochemicznego

Czujniki elektrochemiczne działają poprzez reakcję chemiczną z badanym gazem i generują sygnał elektryczny proporcjonalny do stężenia gazu. Większość czujników gazowych elektrochemicznych generuje prąd, który jest liniowo proporcjonalny do stężenia gazu.

Czujnik gazowy elektrochemiczny działa następująco: Molekuły docelowego gazu, które wchodzą w kontakt z czujnikiem, najpierw przechodzą przez błonę, która zapobiega kondensacji i jednocześnie działa jako bariera przeciwko pyłom. Następnie molekuły gazu dyfuzyjnie przenikają przez rurkę kapilarną, możliwe że przez kolejny filtr, a następnie przez membranę hydrofobową na powierzchnię elektrody czułej. Tam molekuły są natychmiast utleniane lub redukowane, co generuje albo zużywa elektrony, tworząc prąd elektryczny.

Warto zwrócić uwagę na to, że ilość cząsteczek gazu wprowadzanych do czujnika w ten sposób jest ograniczona przez dyfuzję przez kapilarkę. Optymalizując ścieżkę, uzyskuje się odpowiedni sygnał elektryczny zgodnie z pożądanym zakresem pomiarowym. Projekt elektrody czułej jest kluczowy dla osiągnięcia wysokiej reaktywności wobec docelowego gazu oraz tłumienia niepożądanych reakcji wobec gazów interferujących. Dotyczy to trójetapowego systemu dla ciał stałych, ciekłych i gazowych, wszystkie zaś obejmują chemiczną identyfikację gazu analanu. Komórka elektrochemiczna jest ukończona tzw. elektrodą odwrotnej, Cont elektrodą, która równoważy reakcję na elektrodzie czułej. Prąd jonowy między elektrodą Cont a elektrodą Sen przewozi elektrolit wewnątrz ciała czujnika, podczas gdy ścieżka prądu jest zapewniona przez przewód kończący się łącznikiem pinowym. Trzecia elektroda jest zwykle uwzględniana w czujnikach elektrochemicznych (czujniki trzyelektrodowe). Tzw. elektroda odniesienia służy do utrzymania potencjału elektrody czułej na ustalonej wartości. W tym celu, a zwykle także dla działania czujników elektrochemicznych, wymagany jest obwód o stałym potencjale.

ⅱ. Składniki czujnika elektrochemicznego

Czujnik elektrochemiczny składa się z następujących czterech kluczowych składników:

1. Przepuszczalne membrany (nazywane również membranami hydrofobowymi): Te membrany służą do pokrycia czujników (katalizatorów) elektrod oraz, w niektórych przypadkach, regulacji masy molowej gazów docierających do powierzchni elektrody. Zazwyczaj te membrany są wytworzone z filmów Teflonowych o niskiej porowatości. Gdy te membrany są stosowane do pokrycia elektrod, czujniki te nazywane są czujnikami pokrytymi. W alternatywie można użyć filmu Teflonowego o wysokiej porowatości wraz z kapilarzem, aby kontrolować masę molową gazu docierającego do powierzchni elektrody. Ten układ nazywa się czujnikiem typu kapilarnego. Oprócz zapewnienia ochrony mechanicznej dla czujnika, film działa także jako filtr, eliminując niechciane cząstki. Aby zapewnić odpowiednią masę molową gazu, który może przepływać, kluczowe jest wybranie odpowiedniego rozmiaru otworu zarówno dla membrany, jak i kapilarza. Rozmiar otworu musi pozwolić na dostateczną liczbę cząsteczek gazu, aby dotrzeć do czujnej elektrody, jednocześnie uniemożliwiając przeciek lub szybkie wysychanie cieczącego elektrolitu.

2. Elektroda: Ważne jest staranne wyboru materiału elektrodowego. Materiał powinien być katalizującym, zdolnym do wykonywania półelektrolitycznej reakcji w ciągu dłuższego okresu. Zazwyczaj elektrody są wykonane z metali szlachetnych, takich jak platyna lub złoto, które efektywnie reagują z cząsteczkami gazowymi poprzez katalizę. W zależności od konstrukcji czujnika, trzy elektrody mogą być wykonane z różnych materiałów, aby ułatwić reakcję elektrolizy.

3. Eletrolit: Eletrolit musi być w stanie wspierać reakcje elektrolityczne i efektywnie przekazywać ładunek jonowy do elektrody. Musi również tworzyć stabilny potencjał odniesienia z elektrodą odniesienia i być zgodny z materiałami używanymi wewnątrz czujnika. Ponadto, szybkie parowanie eletrolitu może prowadzić do osłabienia sygnału czujnika, co może zagrozić jego dokładności i niezawodności.

4. Filtry: Od czasu do czasu, filtry oczyszczacze są umieszczane przed czujnikiem, aby usunąć niepożądane gazy. Wybór filtrów jest ograniczony, przy czym każdy typ wyróżnia się innym poziomem efektywności. Aktywne węgiel drzewny stanowi najbardziej powszechnie stosowany materiał filtrujący, skutecznie usuwający większość chemikaliów, z wyjątkiem monoksidu węgla. Poprzez staranne wybranie odpowiedniego materiału filtrującego, czujniki elektrochemiczne osiągają zwiększoną selektywność wobec ich docelowych gazów.

ⅲ. Klasyfikacja czujników elektrochemicznych

Istnieje wiele sposobów klasyfikacji czujników elektrochemicznych. W zależności od różnych sygnałów wyjściowych mogą być podzielone na czujniki potencjometryczne, amperometryczne i konduktometryczne.

Według substancji wykrywanych przez czujniki elektrochemiczne, można je podzielić przede wszystkim na czujniki jonów, czujniki gazów i bioczuJNIKI.

ⅳ. Główna właściwości i czynniki wpływające

1. Czułość

Główne czynniki wpływające na wrażliwość obejmują: aktywność katalizatora, dopływ powietrza, przewodnictwo elektrolitu oraz temperatura otoczenia.

2. Odzyskiwanie odpowiedzi

Główne czynniki wpływające na prędkość odzyskiwania odpowiedzi to aktywność katalizatora, przewodnictwo elektrolitu, struktura komory gazowej, właściwości gazu itp.

3. Wybierzność/Przekrzyżowane zakłócenia

Główne czynniki wpływające na wybierzność obejmują rodzaj katalizatora, elektrolitu, napięcie obciążeniowe, filtr itp.

4. Powtarzalność/Długoterminowa stabilność

Czynniki wpływające na powtarzalność obejmują: stabilność struktury elektrody, stabilność elektrolitu, stabilność układu gazowego itp.

5. Właściwości przy wysokich i niskich temperaturach

Czynniki wpływające na stabilność przy wysokich i niskich temperaturach obejmują: aktywność katalizatora, stabilność struktury elektrody oraz właściwości gazu.

V. Cztery główne zastosowania czujników elektrochemicznych

Czujniki elektrochemiczne są powszechnie używane w przemyślnych i cywilnych dziedzinach wykrywania gazów, mogą wykrywać ozon, formaldehyd, tlenek węgla, amoniak, siarkowodór, dwutlenek siarki, dwutlenek azotu, tlen oraz inne gazy, często stosowane w przyrządach przenośnych i wstrumentacji monitoringu online gazów.

1. Czujnik wilgotności

Wilgotność jest ważnym wskaźnikiem środowiska powietrza, wilgotność powietrza ma bliski związek z odparowaniem ciepła w organizmie człowieka. W warunkach wysokiej temperatury i wilgotności, ze względu na trudności w odparowywaniu wody z ciała człowieka, odczuwa się duszność. W przypadku niskiej temperatury i wysokiej wilgotności, proces rozpraszania ciepła przez ciało człowieka jest intensywny, co łatwo prowadzi do przeziębienia i mrożenia. Najbardziej odpowiednia temperatura dla ludzkiego organizmu to 18~22℃, a względna wilgotność wynosi 35%~65% RH. W monitoringu środowiska i zdrowia stosuje się powszechnie instrumenty takie jak termowilgotniomierz z kulką wilgotną, ręczny wilgotniomierz oraz wilgotniomierz wentylacyjny do określania wilgotności powietrza.

W ostatnich latach pojawiło się wiele publikacji naukowych na temat stosowania czujników do określania wilgotności powietrza. Używane do pomiaru wilgotności względnej, piezoelektryczne kryształy kwarcowe pokrywane są tworzywem i wykonywane jako małe piezoelektryczne kryształy kwarcowe za pomocą technik fotoliografii i chemicznego etchingu. Na kryształach kwarcowych o cięciwie AT pracujących na częstotliwości 10 MHz, które mają wysoką wrażliwość masy na wilgotność, nanoszone są cztery substancje. Kryształ działa jako rezonator w obwodzie drgającym, gdzie częstotliwość zależy od masy, a przez wybór odpowiedniego pokrycia, czujnik może służyć do określania wilgotności względnej różnych gazów. Wrażliwość, liniowość reakcji, czas reakcji, selektywność, histereza i czas życia czujnika zależą od rodzaju zastosowanych chemikaliów w pokryciu.

2、Czujnik tlenku azotu

Tlenek azotu to odmiana tlenków azotu składająca się z mieszaniny gazów, często wyrażana jako NOX. W przypadku tlenków azotu różnorodność ich chemicznej stabilności zależy od formy, a w powietrzu są one zazwyczaj podzielone na tlenek azotu i dwutlenek azotu o względnie stabilnych właściwościach chemicznych. Ich znaczenie w zakresie higieny jest większe niż w przypadku innych form tlenków azotu.

W analizie środowiskowej tlenek azotu zazwyczaj odnosi się do dwutlenku azotu. Chiński standardowy sposób monitorowania tlenków azotu to kolorymetryczna metoda naphtaleny etylenodiaminy dichlorowodorowej, czułość tej metody wynosi 0,25ug/5ml. Współczynnik przeliczeniowy tej metody jest wpływowany przez skład roztworu absorpcyjnego, stężenie dwutlenku azotu, prędkość zbierania gazu, strukturę rurki absorpcyjnej, współistnienie jonów i temperaturę oraz wiele innych czynników, co nie jest całkowicie zjednoczone. Określanie za pomocą czujnika jest nową metodą opracowaną w ostatnich latach.

3、Czujnik Gazu Siarkowodorowego

Siarczek wodoru to bezbarwny, płonący gaz o charakterystycznym zapachu zgnilych jaj, który jest drażniący, duszący i szkodliwy dla organizmu ludzkiego. Większość metod wykorzystuje kalorymetry i chromatografię gazową do określania siarczku wodoru w powietrzu. Określanie zanieczyszczeń powietrza, których zawartość często wynosi poziom mg/m³, jest jedną z głównych aplikacji czujników gazowych, ale półprzewodnikowe czujniki gazowe nie są w stanie spełnić wymagań co do czułości i selektywności monitorowania niektórych gazów zanieczyszczających w krótkim czasie.

Tablica czujników na podstawie cienkich warstw dopowiadanych srebrzem składa się z czterech czujników, które jednocześnie rejestrują stężenia dwutlenku siarki i siarczku wodoru za pomocą uniwersalnego analizatora opartego na tytrowaniu kulometrycznym oraz sygnałów z tablicy półprzewodnikowych czujników gazowych. Praktyka pokazała, że czujniki na podstawie cienkich warstw dopowiadanych srebrzem, stosowane przy 150 °C w trybie stałości temperatury, są skuteczne do monitorowania zawartości siarczku wodoru w powietrzu miejskim.

4. Czujnik dwutlenku siarki

Dwutlenek siarki jest jedną z głównych substancji, które zanieczyszczają powietrze, a wykrywanie dwutlenku siarki w powietrzu jest regularną częścią testów jakości powietrza. Zastosowanie czujników do monitorowania dwutlenku siarki okazało się mieć ogromne zalety, od skrócenia czasu detekcji po obniżenie granicy wykrywalności. Stałe polimery są używane jako membrany wymiany jonowej, przy czym jedna strona membrany zawiera elektrolity wewnętrzne dla elektrod przeciwnej i odniesienia, a na drugiej stronie wstawiono elektrode platynową, tworząc w ten sposób czujnik dwutlenku siarki. Czujnik jest montowany w komórce przepływowej i utlenia dwutlenek siarki przy napięciu 0,65V. Następnie wskazywana jest zawartość dwutlenku siarki. Urządzenie pomiarowe charakteryzuje się wysoką wrażliwością prądu, krótkim czasem odpowiedzi, dobrą stabilnością, małym poziomem szumu tła, zakresem liniowości 0,2 mmol/L, granicą wykrywalności 8*10-6 mmol/L oraz stosunkiem sygnału do szumu wynoszącym 3.

Czujnik może nie tylko wykrywać dwutlenek siarki w powietrzu, ale również służyć do wykrywania dwutlenku siarki w cieczach o niskiej przewodności elektrycznej. Nadanie czułości na gaz organicznie modyfikowanej warstwie cienkiej siarczanów dla czujnika dwutlenku siarki zostało wykonane za pomocą procesu sol-gel oraz technologii wirowania. Ta warstwa wykazuje doskonałą powtarzalność i odwracalność w okreslaniu dwutlenku siarki, z szybkim czasem reakcji mniejszym niż 20 sekund. Ponadto, wykazuje ona minimalne oddziaływanie z innymi gazami i ma niewielki wpływ zmian temperatury i wilgotności.