Vad vet du om elektrokemiska sensorer

Elektrokemiska sensorer är en typ av sensor som utnyttjar de elektrokemiska egenskaperna hos analyten för att omvandla den kemiska kvantiteten till en elektrisk kvantitet för sensing och detektion.

De äldsta elektrokemiska sensorerna går tillbaka till 1950-talet, när de användes för syreövervakning. Och till 1980-talet, när de användes för övervakning av en bred utryckning av giftiga gaser och visade god känslighet och selektivitet.

ⅰ. Arbetssätt för elektrokemisk sensor

Elektrokemiska sensorer fungerar genom att reagera kemiskt med den gas som mäts och producerar ett elektriskt signal som är proportionellt mot gaskoncentrationen. De flesta elektrokemiska gasensorer genererar ström som är linjärt proportionell mot gaskoncentrationen.

En elektrokemisk gasensor fungerar på följande sätt: Målgasmolekyler som komma i kontakt med sensorn passerar först genom en membran som förhindrar kondens och även fungerar som dammfilt. Därefter diffunderar gasmolekyler genom en kapillär, eventuellt genom ett efterföljande filter, och sedan genom en hydrofob membran till ytan av det känsliga elektroden. Där omsätts molekylerna omedelbart genom oxidering eller reduktion, vilket producerar eller förbrukar elektroner och skapar därmed en elström.

Det är viktigt att notera att mängden gasmolekyler som når sensorn på detta sätt begränsas av diffusion genom kapillären. Genom att optimera vägen erhålls en lämplig elektrisk signal enligt den önskade mätomfånget. Designen av känsligalektroden är avgörande för att uppnå hög responsivitet mot målgasen och för att undertrycka ovälkomna reaktioner mot störgaser. Den omfattar ett tre-stegssystem för fasta, vätska och gaser, och alla involverar kemisk identifiering av analytgasen. Den elektrokemiska cellen slutförs av så kallad motelektrod, Cont-elektrod, som jämnar ut reaktionen vid känsligelektroderna. Jonströmmen mellan Cont-elektroderna och Sen-elektroderna transporteras av elektrolyten inom sensorernas kropp, medans strömbanan tillhandahålls genom en tråd som avslutas med en pin-koppling. En tredje elektrod inkluderas vanligtvis i elektrokemiska sensorer (3-elektrodsensorer). En så kallad referenselektrod används för att hålla potentialen hos känsligelektroderna på en fast värde. För detta ändamål och vanligen för drift av elektrokemiska sensorer krävs en konstant potentialkrets.

ⅱ. Komponenter i en elektrokemisk sensor

Elektrokemiska sensorn består av följande fyra huvudkomponenter:

1. Andningsbara membran (också kända som hydrofoba membran): Dessa membran används för att täcka de sensorerade (katalytiska) elektroderna och, i vissa fall, reglera den molekylära vikten på gaserna som når elektrodernas yta. Vanligtvis tillverkas dessa membran av Teflon filmer med låg porositet. När dessa membran används för att täcka elektroderna kallas sensorna för bekrödda sensorer. Alternativt kan en Teflonfilm med hög porositet användas tillsammans med en kapillär för att styra den molekylära vikten på gasen som når elektrodens yta. Denna konfiguration kallas för en kapillärtypsensor. Utöver att ge mekanisk skydd för sensorn fungerar filmen också som en filter, vilket tar bort ovälkomna partiklar. För att säkerställa att den rätta molekylära vikten på gasen får passera är det avgörande att välja rätt aperturstorlek för både membranet och kapillären. Aperturstorleken måste tillåta tillräckligt med gasmolekyler att nå den sensorerade elektroden samtidigt som det förhindrar läckage eller snabb uttorkning av den vätska elektrolyten.

2. Elektroder: Det är avgörande att noggrant välja elektrodmaterial. Materialet bör vara katalytiskt och kunna utföra en semi-elektrolysk reaktion under en längre tid. Vanligtvis konstrueras elektroder av dyrbara metaller, som platin eller guld, vilka reagerar effektivt med gasmolekyler genom katalys. Beroende på sensorns design kan de tre elektroderna bestå av olika material för att möjliggöra elektrolysk reaktion.

3. Elektrolyt: Elektrolyten måste kunna främja elektrolysk reaktion och effektivt överföra jonisk laddning till elektroderna. Den måste också skapa en stabil referenspotential tillsammans med referenselektroderna och vara kompatibel med materialen som används i sensorn. Dessutom kan snabb utdamning av elektrolyten leda till en svagare sensormsignal, vilket eventuellt kan underminera dess noggrannhet och pålitlighet.

4. Filter: Ibland placeras skrubbfiltret framför sensorn för att eliminera ovälkomna gaser. Valet av filter är begränsat, och varje typ visar en distinkt nivå av effektivitet. Aktiverad kol är det mest använda filtrematerialet, som effektivt filtrerar de flesta kemikalier, utom monoxid. Genom att noggrant välja rätt filtermedium uppnår elektrokemiska sensorer en högre selektivitet gentemot sina avsedda gaser.

ⅲ. Klassificering av elektrokemisk sensor

Det finns många sätt att klassificera elektrokemiska sensorer. Beroende på deras varierande utgående signaler kan de delas in i potentiometriska sensorer, amperometriska sensorer och konduktometriska sensorer.

Enligt de ämnen som upptäcks av elektrokemiska sensorer kan dessa huvudsakligen klassas som ionsensorer, gasensorer och biosensorer.

ⅳ. Huvudsakliga egenskaper och påverkansfaktorer

1. Känslighet

De huvudsakliga faktorerna som påverkar känslighet inkluderar: katalysatoraktivitet, luftintag, elektrolytledningseffekt och miljötemperatur.

2. Svarsåterställning

De huvudsakliga faktorerna som påverkar hastigheten för svarsåterställning är katalysatoraktivitet, elektrolytledningseffekt, gasrumskonstruktion, gasens egenskaper, etc.

3. Selectivitet/Korsinterferens

De huvudsakliga faktorerna som påverkar selectiviteten inkluderar katalysator typ, elektrolyt, bias spänning, filter, etc.

4. Reproducerbarhet/Långsiktig stabilitet

Faktorer som påverkar reproducerbarheten inkluderar: elektrodstrukturstabilitet, elektrolytstabilitet, gascirkuitsstabilitet, etc.

5. Prestanda vid hög och låg temperatur

Faktorer som påverkar stabilitet vid höga och låga temperaturer inkluderar: katalysatoraktivitet, elektrodstrukturstabiltet och gasens egenskaper.

V. Fyra huvudsakliga tillämpningar av elektrokemiska sensorer

Elektrokemiska sensorer används allmänt inom industriella och civila områden för gasdetektion, de kan upptäcka ozon, form aldehyd, monoxid, ammoniak, svaveldioxid, koldioxid, nitrogenoxid, syre och andra gaser, vanligtvis används i portabel utrustning och gasövervakningsinstrument online.

1. Fuktighetsensor

Luftfuktighet är en viktig indikator för luftmiljön, och det finns ett nära samband mellan luftfuktigheten och människokroppens evaporationsvärme. Vid hög temperatur och hög fuktighet orsakar svårigheten för kroppsvattnet att evaporera en trögande känsla, medan vid låg temperatur och hög fuktighet är kroppens avsvalnadsprocess intensiv, vilket kan leda till kalla och frostbittar. Den mest lämpliga temperaturen för människokroppen ligger mellan 18~22℃, med en relativ fuktighet på 35%~65% RH. Inom miljö- och hälsövervakning används vanligtvis instrument som vattenklot termometer, handdriven hygrometer och ventilationshygrometer för att bestämma luftfuktigheten.

Under de senaste åren har det kommit en stor mängd litteratur om användningen av sensorer för att bestämma luftfukten. De klorade piezoelektriska kvartsristen som används för att bestämma relativa fukten tillverkas till små kvarts-piezoelektriska rister med hjälp av fotolitografi och kemisk etchningsteknik, och fyra ämnen kläds på AT-skapade 10 MHz kvartsristar, vilka har hög masskänslighet gentemot fuktighet. Ristret är en resonator i en oscillationskrets vars frekvens varierar med massa, och genom att välja lämplig klädning kan sensorn användas för att bestämma den relativa fukten hos olika gaser. Sensorns känslighet, responslinjäritet, svarstid, selektivitet, hysteresis och livslängd beror på karaktären hos klädningens kemiska ämnen.

2、Kväveoxidssensor

Kväveoxid är en variant av kväveoxider som består av en blandning av gaser, ofta uttryckt som NOX. I kväveoxiden skiljer sig den kemiska stabiliteten hos de olika formerna av kväveoxid åt, och i luften delas de vanligtvis in i monoxidkväve och kvävedioxid med relativt stabila kemiska egenskaper. Deras betydelse inom hälsovård verkar vara viktigare än andra former av kväveoxid.

I miljöanalys syftar nitrogenoxid vanligen till kvävedioxid. Kinas standardmetod för övervakning av nitrogenoxider är den färgmättningsmetoden med nafthalenetylenediamindhyclorid, vars känslighet är 0,25ug/5ml. Metodens konverteringskoefficient påverkas av sammansättningen av absorbentlösningen, koncentrationen av kvävedioxid, gasinsamlingens hastighet, absorberarpipegens struktur, samexistensen av ioner och temperatur samt andra faktorer, vilket gör att det inte är helt enat. Sensormätning är en ny metod som har utvecklats de senaste åren.

3、Vätskevässgas-sensor

Vetenskaplig svaveldioxid är en färglös, brandbar gas med en speciell sur ägg-lukt, som är irriterande och kvävande och skadlig för människokroppen. De flesta metoder använder kulormetri och gaschromatografi för att bestämma svavelväte i luften. Bestämningen av luftföroreningar vars innehåll ofta är så lågt som på mg/m³-nivån är en av de huvudsakliga tillämpningarna av gasensorer, men halvledargasensorer kan inte uppfylla känslighets- och selektitetskraven för övervakning av vissa föroreningar i gaser på kort tid.

Den silverdopade tunnfilmsensorarrayen består av fyra sensorer som samtidigt registrerar koncentrationerna av svaveldioxid och svavelväte med hjälp av en universell analysator baserad på kolometrisk titration och signalerna från halvledargasensorarrayen. Praktiken har visat att silverdopade tunnfilmsensorer som används vid 150 °C på konstant temperatur är effektiva för övervakning av svavelväteinnehållet i stadsluften.

4. Svaveloxidssensor

Svaveloxid är en av de huvudsakliga ämnena som förorenar luften, och detektering av svaveloxid i luften är en vanlig del av luftprovtagning. Användningen av sensorer vid övervakning av svaveloxid har visat stor fördel, från att förkorta detekterings­tiden till att sänka detekteringsgränsen. Fast polyme används som jonutbyte­membran, med en sida av membranet som innehåller interna elektrolyter för mot- och referenselektroderna, och en platin­elektrod infogad på den andra sidan för att skapa svaveloxidssensorn. Sensorn monteras i en flödescell och oxidiserar svaveloxid vid en spänning på 0,65V. Svaveloxidinnehållet indikeras sedan. Mätapparaten visar hög strömsensitivitet, kort respons­tid, bra stabilitet, låg bakgrundsstörning, en linjär omfattning på 0,2 mmol/L, en detekteringsgräns på 8*10^-6 mmol/L och ett signal-till-brusförhållande på 3.

Sensorn kan inte bara upptäcka koldioxid i luften, utan kan också användas för att upptäcka koldioxid i vätskor med låg ledningsförmåga. Den gas-känsliga beläggningen av den organiskt modifierade silikattunnfilmsulfurdioxidgas-sensorn tillverkades med hjälp av sol-gel-processen och rotations teknik. Denna beläggning visar utmärkt reproducerbarhet och omvändbarhet vid bestämning av sulfurdioxid, med en snabb respons tid på mindre än 20 sekunder. Dessutom visar den minimal interaktion med andra gaser och påverkas minimalt av temperatur- och fuktighetsförändringar.