คุณรู้อะไรเกี่ยวกับเซนเซอร์อิเล็กโตรเคมีบ้าง

เซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีคือชนิดหนึ่งของเซนเซอร์ที่อาศัยสมบัติทางไฟฟ้าเคมีของสารที่วิเคราะห์เพื่อแปลงปริมาณทางเคมีให้เป็นปริมาณทางไฟฟ้าสำหรับการตรวจจับและการวัด

เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีรุ่นแรกสุดย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษ 1950 เมื่อใช้สำหรับการตรวจสอบออกซิเจน และในช่วงทศวรรษ 1980 เมื่อนำมาใช้เพื่อตรวจสอบก๊าซพิษหลากหลายชนิด โดยแสดงความไวและเลือกเฉพาะที่ดี

ⅰ. หลักการทำงานของเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมี

เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีทำงานโดยการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับก๊าซที่กำลังวัดและสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่สัดส่วนกับความเข้มข้นของก๊าซ ส่วนใหญ่ของเซ็นเซอร์ก๊าซไฟฟ้าเคมีจะสร้างกระแสไฟฟ้าที่สัดส่วนเชิงเส้นกับความเข้มข้นของก๊าซ

เซนเซอร์แก๊สแบบอิเล็กโตรเคมีทำงานดังนี้: โมเลกุลของแก๊สเป้าหมายที่สัมผัสกับเซนเซอร์จะผ่านเยื่อหุ้มก่อนซึ่งป้องกันการควบแน่นและยังทำหน้าที่เป็นตัวกรองฝุ่น จากนั้นโมเลกุลแก๊สจะกระจายผ่านท่อแคปิลารี อาจผ่านตัวกรองเพิ่มเติม และจากนั้นผ่านเยื่อฟิล์มไฮโดรโฟบิกไปยังพื้นผิวของอิเล็กโทรดตรวจจับ ที่นั่นโมเลกุลจะถูกออกซิไดซ์หรือลดลงทันที ส่งผลให้เกิดหรือใช้電子 สร้างกระแสไฟฟ้าขึ้น

สิ่งที่สำคัญคือต้องทราบว่าปริมาณของโมเลกุลแก๊สที่เข้าสู่เซนเซอร์ในลักษณะนี้ถูกจำกัดโดยกระบวนการดิฟฟิวชันผ่านแคปิลารี การปรับปรุงเส้นทางจะทำให้ได้สัญญาณไฟฟ้าที่เหมาะสมตามช่วงการวัดที่ต้องการ การออกแบบของอิเล็กโทรดสำหรับการตรวจจับเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มความไวต่อแก๊สเป้าหมายและลดการตอบสนองที่ไม่พึงประสงค์ต่อแก๊สที่รบกวน มันเกี่ยวข้องกับระบบสามขั้นตอนสำหรับของแข็ง ของเหลว และแก๊ส และทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับการระบุเคมีของแก๊สที่วิเคราะห์ เซลล์อิเล็กโตรเคมีเสร็จสมบูรณ์ด้วยอิเล็กโทรดที่เรียกว่าเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด ซึ่งชดเชยปฏิกิริยาที่อิเล็กโทรดสำหรับการตรวจจับ กระแสไอออนระหว่างอิเล็กโทรด Cont และ Sen จะถูกขนส่งโดยสารละลายภายในตัวเซนเซอร์ ในขณะที่เส้นทางกระแสไฟฟ้าจะถูกจัดเตรียมผ่านสายที่สิ้นสุดด้วยตัวเชื่อมต่อแบบพิน อิเล็กโทรดตัวที่สามมักจะรวมอยู่ในเซนเซอร์อิเล็กโตรเคมี (เซนเซอร์ 3 อิเล็กโทรด) อิเล็กโทรดที่เรียกว่าอิเล็กโทรดอ้างอิงใช้เพื่อรักษาศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดสำหรับการตรวจจับให้อยู่ที่ค่าคงที่ เพื่อวัตถุประสงค์นี้และปกติแล้วสำหรับการทำงานของเซนเซอร์อิเล็กโตรเคมี จะต้องใช้วงจรศักย์ไฟฟ้าคงที่

ⅱ. องค์ประกอบของเซนเซอร์อิเล็กโทรเคมี

เซนเซอร์อิเล็กโทรเคมีประกอบด้วยสี่องค์ประกอบหลักดังนี้:

เยื่อหุ้มที่ระบายอากาศได้ (ซึ่งรู้จักกันในชื่อเยื่อหุ้มไฮโดรโฟบิก): เยื่อหุ้มนี้ทำหน้าที่คลุมอิเล็กโทรดสำหรับการตรวจจับ (ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา) และในบางกรณีควบคุมน้ำหนักโมเลกุลของก๊าซที่ไปถึงพื้นผิวของอิเล็กโทรด โดยปกติแล้วเยื่อหุ้มนี้จะผลิตจากฟิล์มเทฟลอนที่มีความพรุนต่ำ เมื่อใช้เยื่อหุ้มคลุมอิเล็กโทรด เซนเซอร์เหล่านี้จะเรียกว่าเซนเซอร์แบบเคลือบ นอกจากนี้ สามารถใช้ฟิล์มเทฟลอนที่มีความพรุนสูงร่วมกับแคปิลารี เพื่อควบ0คุมน้ำหนักโมเลกุลของก๊าซที่ไปถึงพื้นผิวของอิเล็กโทรด รูปแบบนี้เรียกว่าเซนเซอร์ชนิดแคปิลารี นอกจากการให้การป้องกันทางกลแก่เซนเซอร์แล้ว ฟิล์มยังทำหน้าที่เป็นตัวกรองเพื่อกำจัดอนุภาคที่ไม่ต้องการ อีกทั้งยังสำคัญมากที่จะเลือกขนาดรูที่เหมาะสมทั้งในเยื่อหุ้มและแคปิลารี เพื่อให้มวลโมเลกุลของก๊าซที่เหมาะสมผ่านไปได้ ขนาดรูต้องอนุญาตให้มีโมเลกุลก๊าซเพียงพอที่จะไปถึงอิเล็กโทรดสำหรับการตรวจจับ แต่ต้องป้องกันการรั่วไหลหรือการแห้งเร็วเกินไปของสารละลายไฟฟ้า

2. อิเล็กโทรด: การเลือกวัสดุอิเล็กโทรดอย่างรอบคอบเป็นสิ่งสำคัญ วัสดุควรสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีครึ่งหนึ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะยาว โดยปกติแล้ว อิเล็กโทรดจะทำจากโลหะมีค่า เช่น พลาตินัมหรือทอง ซึ่งสามารถตอบสนองกับโมเลกุลก๊าซผ่านกระบวนการกระตุ้นปฏิกิริยา (catalysis) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขึ้นอยู่กับการออกแบบของเซนเซอร์ อิเล็กโทรดสามตัวอาจสร้างขึ้นจากวัสดุที่แตกต่างกันเพื่อช่วยให้เกิดปฏิกิริยาการแยกสารทางไฟฟ้าเคมี

3. เอเล็คโตรไลต์: เอเล็คโตรไลต์ต้องสามารถช่วยในการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีและเปลี่ยนประจุไอออนไปยังอิเล็กโทรดได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ มันยังต้องสร้างศักย์ไฟฟ้าอ้างอิงที่เสถียรกับอิเล็กโทรดอ้างอิง และเข้ากันได้กับวัสดุที่ใช้ภายในเซนเซอร์ อีกทั้ง การระเหยอย่างรวดเร็วของเอเล็คโตรไลต์อาจทำให้สัญญาณของเซนเซอร์อ่อนลง ส่งผลต่อความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของเซนเซอร์ได้

4. ตัวกรอง: เป็นครั้งคราว ตัวกรองของเครื่องล้างจะถูกวางไว้หน้าเซนเซอร์เพื่อกำจัดก๊าซที่ไม่พึงประสงค์ การเลือกตัวกรองมีข้อจำกัด โดยแต่ละประเภทแสดงระดับประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน คาร์บอนกัมมันต์เป็นวัสดุกรองที่ใช้งานมากที่สุด สามารถกรองสารเคมีส่วนใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยกเว้นก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ โดยการเลือกวัสดุกรองอย่างรอบคอบ เซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีสามารถเพิ่มความสามารถในการเลือกเฉพาะก๊าซเป้าหมายได้

ⅲ. การจำแนกเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี

มีหลายวิธีในการจำแนกเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี ขึ้นอยู่กับสัญญาณเอาต์พุตที่แตกต่างกัน สามารถแบ่งออกเป็นเซนเซอร์แบบโพเทนเชียลเมตริก, เซนเซอร์แบบแอมเพอร์เมตริก และเซนเซอร์แบบคอนดักโตเมตริก

ตามสารที่ตรวจพบโดยเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี เซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีสามารถแบ่งออกเป็นหลัก ๆ ได้เป็น เซนเซอร์ไอออน, เซนเซอร์ก๊าซ และไบโอเซนเซอร์

ⅳ. คุณสมบัติหลักและปัจจัยที่มีผล

1. ความไว

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความไวรวมถึง: ความกระตือรือร้นของตัวเร่งปฏิกิริยา การดูดอากาศ เซลล์นำไฟฟ้า และอุณหภูมิแวดล้อม

2. การฟื้นตัวของการตอบสนอง

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความเร็วในการฟื้นตัวของการตอบสนองคือ ความกระตือรือร้นของตัวเร่งปฏิกิริยา การนำไฟฟ้าของสารละลายไฟฟ้า เครื่องมือโครงสร้างก๊าซ และคุณสมบัติของก๊าซ เป็นต้น

3. การเลือกเฉพาะ/การรบกวนแบบไขว้

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเลือกเฉพาะรวมถึงประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา สารละลายไฟฟ้า อัตราแรงดันไฟฟ้า และตัวกรอง เป็นต้น

4. ความซ้ำซ้อน/เสถียรภาพระยะยาว

ปัจจัยที่ส่งผลต่อความซ้ำซ้อนรวมถึง: ความเสถียรของโครงสร้างอิเล็กโทรด ความเสถียรของสารละลายไฟฟ้า และความเสถียรของวงจรก๊าซ เป็นต้น

5. ประสิทธิภาพในอุณหภูมิสูงและต่ำ

ปัจจัยที่ส่งผลต่อเสถียรภาพในอุณหภูมิสูงและต่ำรวมถึง: ความกระตือรือร้นของตัวเร่งปฏิกิริยา ความเสถียรของโครงสร้างอิเล็กโทรด และลักษณะของก๊าซ

V. สี่การประยุกต์ใช้งานหลักของเซนเซอร์เคมีไฟฟ้า

เซนเซอร์อิเล็กโทรเคมีถูกใช้อย่างแพร่หลายในพื้นที่อุตสาหกรรมและพลเรือนสำหรับการตรวจจับก๊าซ สามารถตรวจจับโอโซน ฟอร์มาลดีไฮด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไนโตรเจนไดออกไซด์ ออกซิเจน และก๊าซอื่น ๆ ซึ่งมักใช้ในเครื่องมือพกพาและการตรวจสอบก๊าซออนไลน์

1. เซนเซอร์ความชื้น

ความชื้นเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญของสภาพแวดล้อมอากาศ ความชื้นในอากาศมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับกระบวนการระเหยและความร้อนของร่างกาย เมื่ออุณหภูมิสูงและมีความชื้นสูง ร่างกายจะเผชิญกับปัญหาในการระเหยของน้ำและรู้สึกอึดอัด ในขณะที่อุณหภูมิต่ำแต่มีความชื้นสูง กระบวนการสูญเสียความร้อนของร่างกายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้เกิดอาการหวัดหรือเยื่อตายได้ง่าย อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับร่างกายคือ 18~22℃ และความชื้นสัมพัทธ์อยู่ที่ 35%~65% RH ในงานตรวจสอบสภาพแวดล้อมและการดูแลสุขภาพ มักใช้เครื่องมือ เช่น เครื่องวัดความชื้นแบบลูกแก้วเปียก-แห้ง เครื่องวัดความชื้นมือหมุน และเครื่องวัดความชื้นแบบระบายอากาศ เพื่อกำหนดความชื้นในอากาศ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีรายงานทางวรรณกรรมจำนวนมากเกี่ยวกับการใช้เซนเซอร์เพื่อวัดความชื้นของอากาศ ผลึกควอตซ์พิเอโซอิเล็กทริกที่เคลือบสารไว้ซึ่งใช้สำหรับการวัดความชื้นสัมพัทธ์ จะถูกทำเป็นผลึกควอตซ์พิเอโซอิเล็กทริกขนาดเล็กโดยเทคนิคโฟโตลิโธกราฟีและการกัดด้วยเคมี และมีการเคลือบสี่สารบนผลึกควอตซ์พิเอโซอิเล็กทริกความถี่ 10 MHz แบบตัด AT ซึ่งมีความไวต่อมวลความชื้นสูง ผลึกนี้เป็นเรโซเนเตอร์ในวงจรสั่นซึ่งความถี่จะเปลี่ยนแปลงตามมวล และโดยการเลือกสารเคลือบที่เหมาะสม เซนเซอร์สามารถใช้วัดความชื้นสัมพัทธ์ของก๊าซชนิดต่างๆ ได้ ความไว การตอบสนองเชิงเส้น การตอบสนองของเวลา การเลือกเฉพาะ เป้าหมาย ความล้าหลัง และอายุการใช้งานของเซนเซอร์ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารเคลือบเคมี

2、เซนเซอร์ออกไซด์ไนโตรเจน

ไนโตรเจนออกไซด์เป็นสารประกอบออกไซด์ของไนโตรเจนหลายชนิดที่เกิดจากการผสมกันของก๊าซต่าง ๆ มักแสดงผลในรูปแบบ NOX ในไนโตรเจนออกไซด์ ความเสถียรทางเคมีของสารประกอบไนโตรเจนออกไซด์แต่ละชนิดแตกต่างกัน โดยปกติในอากาศจะแบ่งออกเป็นไนตริกออกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์ซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีที่ค่อนข้างเสถียรอยู่แล้ว ความสำคัญทางสุขอนามัยของทั้งสองชนิดนี้ดูเหมือนจะมีมากกว่ารูปแบบอื่น ๆ ของไนโตรเจนออกไซด์

ในการวิเคราะห์สิ่งแวดล้อม ไนโตรเจนออกไซด์มักหมายถึงแก๊สนิโตรเจนไดออกไซด์ (NO2) วิธีมาตรฐานของจีนสำหรับการตรวจสอบไนโตรเจนออกไซด์คือวิธีการวัดสีด้วยสารนาฟทาลีนเอทิลีนดายอามีนไฮโดรคลอร์ไรด์ ความไวของวิธีการนี้อยู่ที่ 0.25 ไมโครกรัม/5 มิลลิลิตร ตัวเลขการแปลงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารละลายดูดซับ ความเข้มข้นของนิโตรเจนไดออกไซด์ อัตราการเก็บก๊าซ โครงสร้างของหลอดดูดซับ การอยู่ร่วมกันของไอออน และอุณหภูมิ รวมถึงปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งยังไม่มีการปรับให้เป็นมาตรฐานโดยสมบูรณ์ การตรวจวัดด้วยเซนเซอร์เป็นวิธีใหม่ที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

3, เซนเซอร์ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์

ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นก๊าซสีใส สามารถเผาไหม้ได้ มีกลิ่นเหม็นคล้ายไข่เน่าพิเศษ ซึ่งทำให้ระคายเคืองและขาดอากาศหายใจ และเป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ วิธีการส่วนใหญ่มักใช้วิธีการวัดความร้อนและโครมาโทกราฟีของก๊าซเพื่อกำหนดปริมาณไฮโดรเจนซัลไฟด์ในอากาศ การกำหนดมลพิษทางอากาศที่มีปริมาณต่ำถึงระดับ mg/m3 เป็นหนึ่งในแอปพลิเคชันหลักของเซนเซอร์ก๊าซ แต่เซนเซอร์ก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถตอบสนองความไวและความเฉพาะเจาะจงที่จำเป็นสำหรับการตรวจสอบก๊าซมลพิษบางชนิดในระยะเวลาสั้นๆ ได้

อาร์เรย์เซนเซอร์ฟิล์มบางที่ผสมเงินประกอบด้วยเซนเซอร์สี่ตัวที่บันทึกความเข้มข้นของแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์พร้อมกัน โดยใช้อุปกรณ์วิเคราะห์แบบทั่วไปที่อาศัยการไทเทรตแบบคูลอมทริกและการส่งสัญญาณจากอาร์เรย์เซนเซอร์ก๊าซแบบเซมิคอนดักเตอร์ การปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าเซนเซอร์ฟิล์มบางที่ผสมเงินเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิคงที่ที่ 150 °C เหมาะสมสำหรับการตรวจสอบปริมาณไฮโดรเจนซัลไฟด์ในอากาศเมือง

4. เซนเซอร์ไนโตรเจนไดออกไซด์

ไนโตรเจนไดออกไซด์เป็นหนึ่งในสารหลักที่ทำให้อากาศปนเปื้อน และการตรวจจับไนโตรเจนไดออกไซด์ในอากาศเป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญของการทดสอบคุณภาพอากาศ การใช้งานเซนเซอร์ในการตรวจสอบไนโตรเจนไดออกไซด์แสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่าอย่างมาก ตั้งแต่การลดเวลาในการตรวจจับไปจนถึงการลดขีดจำกัดการตรวจจับ พอลิเมอร์แข็งถูกใช้เป็นเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน โดยมีสารละลายไฟฟ้าภายในอยู่บนด้านหนึ่งของเยื่อสำหรับอิเล็กโทรดคานและอ้างอิง และอิเล็กโทรดแพลทินัมถูกแทรกไว้บนอีกด้านหนึ่งเพื่อสร้างเซนเซอร์ไนโตรเจนไดออกไซด์ เซนเซอร์จะถูกติดตั้งในเซลล์ไหลและทำปฏิกิริยาออกซิเดชันไนโตรเจนไดออกไซด์ที่แรงดันไฟฟ้า 0.65V จากนั้นจะแสดงปริมาณไนโตรเจนไดออกไซด์ อุปกรณ์ตรวจจับนี้แสดงถึงความไวของกระแสไฟฟ้าสูง เวลาตอบสนองสั้น มีเสถียรภาพดี เสียงรบกวนพื้นหลังต่ำ ช่วงเชิงเส้นที่ 0.2 มมอล/ลิตร ขีดจำกัดการตรวจจับที่ 8*10^-6 มมอล/ลิตร และอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่ 3

เซนเซอร์สามารถตรวจจับไม่เพียงแค่แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในอากาศเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ในการตรวจจับซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในของเหลวที่มีความนำไฟฟ้าต่ำได้อีกด้วย เคลือบผิวที่ไวต่อแก๊สของเซนเซอร์ซัลเฟอร์ไดออกไซด์แบบฟิล์มบางซิลิกาที่ถูกปรับเปลี่ยนทางอินทรีย์ได้รับการสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการโซล-เจลและการหมุน เคลือบผิวนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำซ้ำและการกลับคืนที่ยอดเยี่ยมในการวัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ โดยมีเวลาตอบสนองรวดเร็วภายใน 20 วินาที นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ที่น้อยมากกับแก๊สชนิดอื่น และได้รับผลกระทบเพียงเล็กน้อยจากความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความชื้น