Ano ang alam mo tungkol sa mga electrochemical sensor?

Ang elektrokemikal na sensor ay isang uri ng sensor na umuugnay sa elektrokemikal na katangian ng analitiko upang ikonbersyon ang kimikal na dami sa elektrikal na dami para sa pag-uulat at pagsisiyasat.

Ang pinakamatandang elektrokemikal na sensor ay umuukol pa noong dekada 1950, nang ginagamit sila para sa monitoring ng oksiheno. At papuntang dekada 1980, nang ginagamit sila upang montitor ang malawak na saklaw ng mga toxic na gas at nagpakita ng mabuting sensitibidad at selektibidad.

ⅰ. Paggana ng prinsipyong elektrokemikal na sensor

Gumaganap ang mga elektrokemikal na sensor sa pamamagitan ng pag-uulat kemikal sa gas na inimeasure at paggawa ng isang elektrikong signal na proporsyonal sa konsentrasyon ng gas. Karamihan sa mga elektrokemikal na gas sensor ay nagprodyuser ng current na linear na proporsyonal sa konsentrasyon ng gas.

Gumagana ang isang elektrokemikal na sensor ng gas nang ganito: Ang mga molekula ng target gas na nakikontak sa sensor ay umauna muna sa pagsasapit sa isang diaphragm na nagiging hinder sa kondensasyon at ginagamit din bilang barrier sa dust. Pagkatapos ay umuubos ang mga molekula ng gas sa pamamagitan ng isang tubo ng capillary, maaring patungo sa isang sunod na filter, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng isang hydrophobic na membrane papuntang ibabaw ng sensing electrode. Doon ay agad na oxidized o reduced ang mga molekula, bumubuo o kinokonsunsumi ng mga electron kaya nagiging current ang elektriko.

Kailangang tandaan na ang bilang ng mga molekula ng gas na pumapasok sa sensor nang ganito ay limitado ng pagdudulot sa pamamagitan ng kapilya. Sa pamamagitan ng optimisasyon ng landas, nakukuha angkop na senyal elektriko ayon sa kinakailangang saklaw ng pag-uukit. Ang disenyo ng elektrodo para sa pag-sense ay mahalaga upang maabot ang mataas na tugon sa layuning gas at upang itigil ang hindi inaasahang tugon sa mga nag-iinterfere na gas. Ito ay sumasangkot sa isang tatlong bahaging sistema para sa mga solid, likido at gas, at lahat ay sumasangkot sa kimikal na identipikasyon ng gas na analyte. Kumpletuhin ang selula ng elektrokemikal ang tinatawag na counter elektrodo, ang Cont elektrodo, na balanse ang reaksyon sa elektrodo para sa pag-sense. Ang ionic current sa pagitan ng Cont elektrodo at Sen elektrodo ay dinadala ng elektrolito sa loob ng katawan ng sensor, habang ang landas ng kurrente ay ipinapadala sa pamamagitan ng isang kawing na natatapos sa pamamagitan ng isang pin konektor. Karaniwan na kasama ang isang pangatlong elektrodo sa elektrokemikal na mga sensor (3-elektrodo sensors). Ginagamit ang tinatawag na reference elektrodo upang panatilihin ang potensyal ng sensing elektrodo sa isang tetimang halaga. Para dito at karaniwan para sa operasyon ng elektrokemikal na mga sensor, kinakailangan ang isang constant potential circuit.

ⅱ. Mga Komponente ng Isang Sensor na Elektrokemikal

Ang sensor na elektrokemikal ay binubuo ng mga sumusunod na apat na pangunahing komponente:

1. Membranas na maahim (kilala din bilang hydrophobic membranes): Ang mga membrana na ito ay ginagamit upang kubrimin ang sensing (katalitiko) elektrodo at, sa ilang sitwasyon, magregulasyon ng molecular weight ng mga gas na dumadagos sa ibabaw ng elektrodo. Tipikal na gawa ang mga membrana na ito mula sa mga pelikula ng Teflon na may mababang porosidad. Kapag ginagamit ang mga membrana na ito upang kubrimin ang mga elektrodo, tinatawag na coated sensors ang mga sensor. Sa kabila nito, maaaring gamitin ang pelikula ng Teflon na may mataas na porosidad kasama ng isang kapilyar para kontrolin ang molecular weight ng gas na dumadagos sa ibabaw ng elektrodo. Tinatawag na capillary type sensor ang konpigurasyong ito. Maliban sa pagbibigay ng mekanikal na proteksyon para sa sensor, nagtatrabaho rin ang pelikula bilang isang filter, alisin ang mga hindi kinakailangang partikulo. Upang siguruhin na ang tamang molecular weight ng gas ay pinapayagan na dumaan, mahalaga na pumili ng wastong laki ng aperture para sa membrana at kapilyar. Dapat payagan ng laki ng aperture na sapat na mga molekula ng gas na dumating sa sensing elektrodo habang hinahindian ang pagleak o mabilis na pag-uusoc ng likido na elektrolito.

2. Elektrodo: Mahalaga ang pagpili ng materyales para sa elektrodo. Dapat katutubong katalistiko ang materyales at maaaring magbigay ng semi-elektrolitikong reaksyon sa isang mahabang panahon. Tipikal na gawa sa mga mahalagang metal, tulad ng platino o ginto, na maaaring magsagawa nang mabuti sa pamamagitan ng katalista kasama ang mga molekula ng gas. Ayon sa disenyo ng sensor, maaaring gumamit ng iba't ibang materyales ang tatlong elektrodo upang tugunan ang reaksyon ng elektrolisis.

3. Elektrolito: Kinakailangan ang elektrolito na makapagpadali ng elektrolitikong reaksyon at makaepekto nang mabuti ang pagsisiyasat ng ionic charge papunta sa elektrodo. Dapat din itong bumuo ng estableng potensyal na sanggunian kasama ang sangguniang elektrodo at maging kompyable sa mga ginagamit na materyales sa loob ng sensor. Pati na rin, maaaring humina ang senyal ng sensor dahil sa mabilis na paguubos ng elektrolito, na maaring sumabog sa kanyang katumpakan at reliwabilidad.

4. Mga Filter: Minamahalagaan na ipinaposition ang mga filter ng scrubber sa harap ng sensor upang alisin ang mga hindi kailangang gas. Limitado ang pagpili ng mga filter, na may bawat uri na nagpapakita ng iba't ibang antas ng ekadensya. Ang aktibong carbon ay tumatayo bilang pinakamaraming ginagamit na materyales ng filter, epektibo sa pag-aalis ng karamihan sa mga kemikal, maliban sa carbon monoxide. Sa pamamagitan ng pagsasagawa ng tamang pagpili ng wastong media ng filter, nakakamit ng mas mataas na selektibidad ang mga elektrokemikal na sensor patungo sa kanilang inaasang mga gas.

ⅲ. Kategorya ng Elektrokemikal na Sensor

Maraming paraan upang magkategorya ng mga elektrokemikal na sensor. Depende sa kanilang baryante output signals, maaaring hatiin sila sa potentiometric sensors, amperometric sensors, at conductometric sensors.

Ayon sa mga inidetektahan nilang anyo, maaaring pangunahing hatiin ang mga elektrokemikal na sensor sa ion sensors, gas sensors at biosensors.

ⅳ. Pangunahing Mga Katangian at Nakakaapekto na mga Faktor

1. Sensibilidad

Ang mga pangunahing factor na nakakaapekto sa sensitibidad ay kasama: kataktiban ng katalista, pagsisimang hangin, conductibidad ng elektrolito, at temperatura ng paligid.

2. Pagbabalik ng tugon

Ang mga pangunahing factor na nakakaapekto sa bilis ng pagbabalik ng tugon ay kataktiban ng katalista, conductibidad ng elektrolito, estraktura ng gas chamber, katangian ng gas, etc.

3. Pilingibilidad/Cross-interference

Ang mga pangunahing factor na nakakaapekto sa pilingibilidad ay kasama ang uri ng katalista, elektrolito, bias voltage, filter, etc.

4. Repetibilya/Bagong panahon na katiyakan

Mga factor na nakakaapekto sa repetibilya ay kasama: estabilidad ng estraktura ng electrode, estabilidad ng elektrolito, estabilidad ng gas circuit, etc.

5. Kagandahan at mababang temperatura

Mga factor na nakakaapekto sa estabilidad ng mataas at mababang temperatura ay kasama: kataktiban ng katalista, estabilidad ng estraktura ng electrode, at katangian ng gas.

V. Apat na pangunahing aplikasyon ng mga elektrokemikal na sensor

Ang mga sensor na elektrokemikal ay madalas gamitin sa mga industriyal at sibil na larangan ng deteksyon ng gas, maaaring detektahin ang ozono, formaldehido, monokarbono, amonya, sulfuro ng hidroheno, diokso ng sufur, diokso ng nitroheno, oksiheno at iba pang mga gas, karaniwang ginagamit sa portable na instrumentasyon at gas online monitoring instrumentation.

1. Sensor ng Kagubatan

Ang pagkakaroon ng pamumuo ay isang mahalagang indikador ng kapaligiran ng hangin, ang pamumuo ng hangin at ang katawan ng tao ay may malapit na ugnayan sa pagitan ng init ng pagsisiklab, mataas na temperatura at mataas na pamumuo, dahil sa mga hirap ng katawan ng tao na magpapasisiklab ng tubig at maramdaman ang sipol, mababang temperatura at mataas na pamumuo, masigla ang proseso ng paglilipat ng init ng katawan, madaling makuha ang sipon at pagtutulak. Ang pinakakomportableng temperatura para sa katawan ng tao ay 18~22℃, relatibong pamumuo ay 35%~65% RH. Sa pagsusuri ng kapaligiran at kalusugan, karaniwang ginagamit ang wet bulb thermo-hygrometer, hand-cranked hygrometer at ventilation hygrometer at iba pang mga instrumento upang matukoy ang pamumuo ng hangin.

Sa mga taon ngayon, maraming ulat sa literatura tungkol sa paggamit ng sensor para maitakda ang pamumulaklak ng hangin. Ang ginagamit na piniraso ng piezoelektriko na kristal na kwarts para sa pagsukat ng relatibong pamumulaklak ay gawa ng maliit na kristal na piezoelektriko na kwarts gamit ang photolithography at mga teknika ng kemikal na etching, at apat na anyo ay piniraso sa AT-cut 10 MHz kwarts na may mataas na sensitibidad ng masa sa pamumulaklak. Ang kristal ay isang resonator sa isang circuit na umuoscilate kung saan ang frekwentya ay bumabago kasama ng masa, at pumipili ng wastong piraso, maaaring gamitin ang sensor upang matukoy ang relatibong pamumulaklak ng iba't ibang mga gas. Ang sensitibidad, linieridad ng tugon, oras ng tugon, selektibidad, histeresis at buhay-pagkatagal ng sensor ay nakasalalay sa kalikasan ng mga kimikal na piniraso.

2、Sensor ng oxide ng nitrogen

Ang nitrogen oxide ay isang uri ng mga oxide ng nitrogen na binubuo ng isang halong mga gas, madalas ipinapahayag bilang NOX. Sa nitrogen oxide, ang kimikal na katatagan ng bawat anyo ng nitrogen oxide ay iba't iba, at madalas itong pinapag-iwanan sa hangin bilang nitrogen monoxide at nitrogen dioxide na may mas relatibong matatag na kimikal na characteristics, ang kanilang kahalagahan sa pribado ay maaaring mas mahalaga kaysa sa iba pang anyo ng nitrogen oxide.

Sa analisis ng kapaligiran, ang nitrogen oxide ay umuukol pangkalahatan sa nitrogen dioxide. Ang istandang paraan sa Tsina para sa pagsusuri ng nitrogen oxides ay ang kulayimetrikong paraan ng naphthalene ethylenediamine hydrochloride, ang kagamitan ng paraan ay 0.25ug/5ml, ang paraan ng koepisyente ng konwersyon ay napapaloob ng anyo ng solusyon ng absorbent, ang konsentrasyon ng nitrogen dioxide, ang bilis ng pagkuha ng gas, ang anyo ng tubo ng absorber, ang pagkakasama ng mga ion at temperatura at marami pang iba pang mga factor, hindi lubos na pinapatnubayan. Ang deteksyon ng sensor ay isang bagong paraan na inilabas noong mga taong ito.

3、Hidrogen Sulfide Gas Sensor

Ang hydrogen sulfide ay isang gas na walang kulay, maaaring sundin ang pagbubusak, at may partikular na amoy ng itlog na nasira, na nakaka-irita at nakakapinsala sa katawan ng tao. Karamihan sa mga paraan ay gumagamit ng calorimetry at gas chromatography upang malaman ang hydrogen sulfide sa hangin. Ang pagsukat ng mga kontaminante sa hangin kung saan ang nilalaman ay madalas na mababa lamang sa antas ng mg/m3 ay isa sa mga pangunahing aplikasyon ng mga gas sensor, ngunit hindi makakaya ang mga semiconductor gas sensor ang mga kinakailangang sensitibidad at selektibidad para sa pagsusuri ng ilang kontaminanteng-gas sa isang maikling panahon.

Ang array ng silver-doped thin-film sensor ay binubuo ng apat na sensor na sumusunod-sunod na nagsusuri ng mga konsentrasyon ng sulfur dioxide at hydrogen sulfide gamit ang isang pangkalahatang analyzer batay sa coulometric titration at ang mga senyal mula sa array ng semiconductor gas sensor. Nakita sa praktisang ito na epektibo ang mga silver-doped thin-film sensor kapag ginagamit sa 150 °C sa isang paraan ng katamtaman ng temperatura para sa pagsusuri ng nilalaman ng hydrogen sulfide sa hangin sa lungsod.

4. Sulfur Dioxide Sensor

Ang sulfur dioxide ay isa sa mga pangunahing sustansya na nagdudulot ng polusyon sa hangin, at ang pagsisiyasat ng sulfur dioxide sa hangin ay isang regular na bahagi ng pagsubok ng hangin. Ang pamamaraan ng sensors sa pagsusuri ng sulfur dioxide ay nagpakita ng dakilang kahinaan, mula sa pagkikisa ng oras ng deteksiyon hanggang sa pagbaba ng limitasyon ng deteksiyon. Ginagamit ang solid polymers bilang ion exchange membranes, na mayroong isang bahagi ng membrane na naglalaman ng panloob na elektrolito para sa counter at reference electrodes, at isang platinum electrode na ipinapasok sa kabilang bahagi upang bumuo ng sulfur dioxide sensor. Nakakabit ang sensor sa isang flow cell at nag-oxydize ng sulfur dioxide sa voltas na 0.65V. Sinasabihan ang nilalaman ng sulfur dioxide. Nagpapakita ang device ng mataas na sensitibidad ng current, maikling oras ng tugon, mabuting kagandahan, mababang background noise, linear range na 0.2 mmol/L, detection limit na 8*10-6 mmol/L, at signal-to-noise ratio na 3.

Hindi lamang maaring detektahin ng sensor ang sulfer dioxide sa hangin, kundi maaari ding gamitin upang detektahin ang sulfer dioxide sa likido na may mababang kondukibilidad. Nilikha ang gas-sensitibong coating ng organically modified silicate thin film sulfur dioxide gas sensor gamit ang proseso ng sol-gel at teknolohiya ng spin. Nagpapakita ang coating na ito ng mahusay na reproduktibilidad at reverzibilidad sa pagsukat ng sulfer dioxide, kasama ang mabilis na oras ng tugon na mas bababa sa 20 segundo. Sa dagdag din, ipinapakita nito ang minumang interaksyon sa iba pang mga gas at minimong impluwensya ng mga pagbabago sa temperatura at kabag.