O que você sabe sobre sensores eletroquímicos

O sensor eletroquímico é um tipo de sensor que se baseia nas propriedades eletroquímicas do analito para converter a quantidade química em uma quantidade elétrica para detecção e sensação.

Os primeiros sensores eletroquímicos remontam aos anos 1950, quando eram usados para monitoramento de oxigênio. E nos anos 1980, quando eram usados para monitorar uma ampla gama de gases tóxicos e mostraram boa sensibilidade e seletividade.

ⅰ. Princípio de funcionamento do sensor eletroquímico

Sensores eletroquímicos funcionam reagindo quimicamente com o gás sendo medido e produzindo um sinal elétrico proporcional à concentração do gás. A maioria dos sensores eletroquímicos de gás gera uma corrente que é linearmente proporcional à concentração do gás.

Um sensor eletroquímico de gás funciona da seguinte forma: As moléculas do gás alvo em contato com o sensor primeiro passam por uma membrana que impede a condensação e também atua como barreira contra poeira. Em seguida, as moléculas de gás se difundem através de um tubo capilar, possivelmente através de um filtro subsequente, e depois através de uma membrana hidrofóbica até a superfície do eletrodo de detecção. Lá, as moléculas são imediatamente oxidadas ou reduzidas, gerando ou consumindo elétrons e criando uma corrente elétrica.

É importante observar que a quantidade de moléculas de gás entrando no sensor dessa maneira é limitada pela difusão através da capilaridade. Ao otimizar o caminho, obtém-se um sinal elétrico adequado de acordo com a faixa de medição desejada. O design do eletrodo de detecção é essencial para alcançar uma alta responsividade ao gás alvo e para suprimir respostas indesejadas a gases interferentes. Ele envolve um sistema em três etapas para sólidos, líquidos e gases, e todos eles envolvem a identificação química do gás analito. A célula eletroquímica é completada pelo chamado eletrodo contracorrente, o eletrodo Cont, que equilibra a reação no eletrodo de detecção. A corrente iônica entre o eletrodo Cont e o eletrodo Sen é transportada pelo eletrólito dentro do corpo do sensor, enquanto o caminho da corrente é fornecido por meio de um fio terminado por um conector de pinos. Um terceiro eletrodo geralmente é incluído nos sensores eletroquímicos (sensores de 3 eletrodos). Um chamado eletrodo de referência é usado para manter o potencial do eletrodo de detecção em um valor fixo. Para esse propósito e geralmente para o funcionamento dos sensores eletroquímicos, é necessário um circuito de potencial constante.

ⅱ. Componentes de um sensor eletroquímico

O sensor eletroquímico compreende os seguintes quatro componentes principais:

1. Membranas respiráveis (também conhecidas como membranas hidrofóbicas): Essas membranas servem para cobrir os eletrodos de detecção (catalíticos) e, em certas situações, regulam o peso molecular dos gases que atingem a superfície do eletrodo. Normalmente, essas membranas são fabricadas a partir de filmes de Teflon com baixa porosidade. Quando essas membranas são usadas para cobrir os eletrodos, os sensores são chamados de sensores revestidos. Alternativamente, pode-se utilizar um filme de Teflon de alta porosidade, junto com uma capilar, para controlar o peso molecular do gás que atinge a superfície do eletrodo. Essa configuração é conhecida como sensor de tipo capilar. Além de fornecer proteção mecânica ao sensor, o filme também funciona como um filtro, eliminando partículas indesejadas. Para garantir que o peso molecular adequado do gás seja permitido passar, é crucial selecionar o tamanho de abertura correto tanto para a membrana quanto para a capilar. O tamanho da abertura deve permitir que um número suficiente de moléculas de gás alcance o eletrodo de detecção, enquanto previne vazamentos ou o ressecamento rápido do eletrólito líquido.

2. Eletrodo: É crucial selecionar cuidadosamente o material do eletrodo. O material deve ser catalítico, capaz de realizar uma reação semi-eletrólise por um período prolongado. Normalmente, os eletrodos são feitos de metais preciosos, como platina ou ouro, que reagem eficientemente com moléculas de gás por meio de catalise. Dependendo do design do sensor, os três eletrodos podem ser construídos de materiais diferentes para facilitar a reação de eletrólise.

3. Eletrólito: O eletrólito deve ser capaz de facilitar as reações eletrolíticas e transduzir eficientemente a carga iônica ao eletrodo. Também deve formar uma potencial de referência estável com o eletrodo de referência e ser compatível com os materiais usados dentro do sensor. Além disso, a evaporação rápida do eletrólito pode levar ao enfraquecimento do sinal do sensor, potencialmente comprometendo sua precisão e confiabilidade.

4. Filtros: Ocacionalmente, filtros de esfregão são posicionados na frente do sensor para eliminar gases indesejados. A seleção de filtros é limitada, com cada tipo exibindo um nível distinto de eficiência. Carvão ativado é o material de filtro mais amplamente utilizado, filtrando eficazmente a maioria dos químicos, exceto monóxido de carbono. Ao selecionar cuidadosamente o meio de filtro apropriado, os sensores eletroquímicos alcançam uma maior seletividade em relação aos seus gases alvo.

ⅲ. Classificação do Sensor Eletroquímico

Existem muitas maneiras de classificar sensores eletroquímicos. Dependendo de seus sinais de saída variáveis, eles podem ser divididos em sensores potenciométricos, sensores amperométricos e sensores condutométricos.

De acordo com as substâncias detectadas pelos sensores eletroquímicos, esses sensores podem ser classificados principalmente em sensores de íons, sensores de gases e biossensores.

ⅳ. Principais Propriedades e Fatores Influenciadores

1. Sensibilidade

Os principais fatores que afetam a sensibilidade incluem: atividade do catalisador, entrada de ar, condutividade do eletrólito e temperatura ambiente.

2. Recuperação da resposta

Os principais fatores que afetam a velocidade de recuperação da resposta são atividade do catalisador, condutividade do eletrólito, estrutura da câmara de gás, propriedades do gás, etc.

3. Selectividade/Interferência cruzada

Os principais fatores que afetam a selectividade incluem o tipo de catalisador, eletrólito, voltagem de polarização, filtro, etc.

4. Reprodutibilidade/Estabilidade de longo prazo

Fatores que afetam a reprodutibilidade incluem: estabilidade da estrutura do eletrodo, estabilidade do eletrólito, estabilidade do circuito de gás, etc.

5. Desempenho em altas e baixas temperaturas

Fatores que afetam a estabilidade em altas e baixas temperaturas incluem: atividade do catalisador, estabilidade da estrutura do eletrodo e características do gás.

V. Quatro principais aplicações dos sensores eletroquímicos

Sensores eletroquímicos são amplamente utilizados em áreas industriais e civis de detecção de gases, podem detectar ozônio, formaldeído, monóxido de carbono, amônia, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, dióxido de nitrogênio, oxigênio e outros gases, comumente usados em instrumentação portátil e em monitoramento online de gases.

1. Sensor de Umidade

A umidade é um indicador importante do ambiente do ar, a umidade do ar e o corpo humano têm uma relação próxima entre o calor de evaporação, altas temperaturas e alta umidade, devido à dificuldade da evaporação da água no corpo humano, sente-se abafado, baixas temperaturas e alta umidade, o processo de dissipação de calor do corpo humano é intenso, podendo causar resfriados e congelamento. A temperatura mais adequada para o corpo humano é de 18~22℃, com uma umidade relativa de 35%~65% UR. No monitoramento ambiental e de saúde, são comumente usados instrumentos como o psicrômetro de bulbo úmido, hidrômetro manual e hidrômetro de ventilação para determinar a umidade do ar.

Nos últimos anos, um grande número de relatórios literários sobre o uso de sensores para determinar a umidade do ar. As cristais piezoelétricas de quartzo revestidas usadas para a determinação da umidade relativa são fabricadas em pequenas cristais piezoelétricas de quartzo por técnicas de fotolitografia e etching químico, e quatro substâncias são revestidas nos cristais de quartzo de 10 MHz cortados no sentido AT, que têm alta sensibilidade de massa à umidade. O cristal é um ressonador em um circuito oscilante cuja frequência varia com a massa, e selecionando o revestimento apropriado, o sensor pode ser usado para determinar a umidade relativa de diferentes gases. A sensibilidade, linearidade de resposta, tempo de resposta, selectividade, histerese e vida útil do sensor dependem da natureza das substâncias químicas do revestimento.

2、Sensor de óxido de nitrogênio

Oxido de nitrogênio é uma variedade de óxidos de nitrogênio composta por uma mistura de gases, frequentemente expressa como NOX. No óxido de nitrogênio, a estabilidade química das diferentes formas de óxido de nitrogênio é variável, e o ar geralmente é dividido em monóxido de nitrogênio e dióxido de nitrogênio, que possuem propriedades químicas relativamente estáveis. Sua importância em higiene parece ser mais relevante do que outras formas de óxido de nitrogênio.

Em análises ambientais, óxido de nitrogênio geralmente refere-se ao dióxido de nitrogênio. O método padrão na China para monitorar óxidos de nitrogênio é o método colorimétrico de nftaleno etilenodiamina hidrocloreto, a sensibilidade do método é 0,25ug/5ml, o coeficiente de conversão do método é afetado pela composição da solução absorvente, a concentração de dióxido de nitrogênio, a velocidade de coleta de gás, a estrutura do tubo absorvedor, a coexistência de íons e temperatura e muitos outros fatores, não estando completamente unificado. A determinação por sensor é um novo método desenvolvido nos últimos anos.

3、Sensor de Gás Sulfeto de Hidrogênio

O sulfeto de hidrogênio é um gás incolor, combustível, com um odor característico de ovo podre, que é irritante e asfixiante, e prejudicial ao corpo humano. A maioria dos métodos utiliza calorimetria e cromatografia gasosa para determinar sulfeto de hidrogênio no ar. A determinação de poluentes atmosféricos, cujo conteúdo é frequentemente tão baixo quanto ao nível de mg/m³, é uma das principais aplicações dos sensores de gás, mas os sensores semicondutores de gás não conseguem atender aos requisitos de sensibilidade e seletividade para monitorar certos gases poluentes em um curto período de tempo.

A matriz de sensores de filme fino dopado com prata consiste em quatro sensores que registram simultaneamente as concentrações de dióxido de enxofre e sulfeto de hidrogênio usando um analisador universal baseado em titulação coulométrica e os sinais da matriz de sensores de gás semicondutor. A prática mostrou que os sensores de filme fino dopado com prata, usados a 150 °C de maneira de temperatura constante, são eficazes para monitorar o teor de sulfeto de hidrogênio no ar urbano.

4. Sensor de Dióxido de Enxofre

O dióxido de enxofre é uma das principais substâncias que poluem o ar, e a detecção de dióxido de enxofre no ar é uma parte regular dos testes de qualidade do ar. A aplicação de sensores no monitoramento de dióxido de enxofre demonstrou grande superioridade, desde a redução do tempo de detecção até a diminuição do limite de detecção. Polímeros sólidos são usados como membranas de troca iônica, com um lado da membrana contendo eletrólitos internos para os eletrodos de contração e referência, e um eletrodo de platina inserido no outro lado para formar o sensor de dióxido de enxofre. O sensor é montado em uma célula de fluxo e oxida o dióxido de enxofre em uma tensão de 0,65V. O teor de dióxido de enxofre é então indicado. O dispositivo de detecção apresenta alta sensibilidade de corrente, tempo de resposta curto, boa estabilidade, baixo ruído de fundo, faixa linear de 0,2 mmol/L, limite de detecção de 8*10-6 mmol/L e razão sinal-ruído de 3.

O sensor não só pode detectar dióxido de enxofre no ar, como também pode ser usado para detectar dióxido de enxofre em líquidos de baixa condutividade. A camada sensível a gases do sensor de dióxido de enxofre de filme fino de silicato modificado organicamente foi fabricada utilizando o processo sol-gel e tecnologia de rotação. Esta camada apresenta excelente reprodutibilidade e reversibilidade na determinação de dióxido de enxofre, com um tempo de resposta rápido de menos de 20 segundos. Além disso, demonstra interação mínima com outros gases e é pouco influenciada por mudanças de temperatura e umidade.