Elektrokimyasal sensörler hakkında ne biliyorsunuz?

Elektrokimyasal algılayıcı, analitinin elektrokimyasal özelliklerine dayanarak kimyasal miktarı elektrik sinyaline çeviren bir tür sensördür.

En eski elektrokimyasal sensörler 1950'lerde oksijen izleme amacıyla kullanılmaya başlandı. Ve 1980'lerde, bir dizi zehirli gazın izlenmesi için kullanıldı ve iyi duyarlılık ve seçicilik gösterdi.

elektrokimyasal sensörün çalışma prensibi

Elektrokimyasal sensörler, ölçülen gazla kimyasal olarak reaksiyon kurarak ve gaz konsantrasyonuna orantılı bir elektrik sinyali üreterek çalışır. Çoğu elektrokimyasal gaz sensörü, doğrusal olarak gaz konsantrasyonuna orantılı bir akım oluşturur.

Bir elektrokimyasal gaz sensörü şu şekilde çalışır: Hedef gaz molekülleri önce sensörle temasa geçer ve bu moleküller, kondensasyonu önlemek için kullanılan ve aynı zamanda toz engellemesi olarak işlev gören bir diafragma aracılığıyla geçirilir. Daha sonra gaz molekülleri, muhtemelen bir sonraki filtre aracılığıyla ve ardından hidrofobik bir zar aracılığıyla kapilli bir tüp boyunca difüzyona uğrar ve algılayıcı elektrotun yüzeyine ulaşır. Orada moleküller aniden oksidasyona veya redüksiyona uğrar, böylece elektronlar üretilir veya tüketilir ve bu da bir elektrik akımı oluşturur.

Dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta, bu şekilde sensöre giren gaz moleküllerinin miktarının kapilyer aracılığıyla difüzyon tarafından sınırlı olmasıdır. Yolun optimizasyonu ile, istenen ölçüm aralığına göre uygun bir elektrik sinyali elde edilir. Hissedici elektrotun tasarımı, hedef gazlara karşı yüksek duyarlılık sağlamak ve karışıcı gazlara karşı istenmeyen yanıtleri bastırmak için kritiktir. Bu tasarım, katılar, sıvılar ve gazlar için üç aşamalı bir sistem içerir ve tümü de analit gazın kimyasal tanımlanmasını içerir. Elektrokimyasal hücre, hissedici elektrotta meydana gelen tepkimeyi dengelemek amacıyla Cont elektrotu olarak adlandırılan karşı elektrotla tamamlanır. Cont elektrotu ve Sen elektrotu arasındaki iyonik akım, sensör gövdesindeki elektrolit tarafından taşınırken, akım yolu bir pin bağlayıcı ile sonlandırılmış bir kablo vasıtasıyla sağlanır. Elektrokimyasal sensörlerde (3-elektrotlu sensörler) genellikle bir üçüncü elektrot bulunur. Hissedici elektrotun potansiyelini sabit bir değerde tutmak için böyle bir referans elektrot kullanılır. Bu amaçla ve genellikle elektrokimyasal sensörlerin çalışması için, bir sabit potansiyel devresi gerekir.

ⅱ. Elektrokimyasal bir sensörün bileşenleri

Elektrokimyasal sensör aşağıdaki dört ana bileşeni içerir:

1. Nefes alma filmleri (ayrıca hidrofobik filmler olarak da bilinir): Bu filmler, algılayıcı (katalitik) elektrotları kaplamak için kullanılır ve belirli durumlarda elektrot yüzeyine ulaşan gazların moleküler ağırlığını düzenler. Genellikle bu filmler düşük poroziteye sahip Teflon filmlerinden yapılır. Bu filmler elektrotları kaplamak için kullanıldığında, sensörler kaplanmış sensörler olarak adlandırılır. Alternatif olarak, yüksek poroziteye sahip bir Teflon filmi ve bir kapiler birlikte kullanılabilir, böylece elektrot yüzeyine ulaşan gazın moleküler ağırlığı kontrol edilir. Bu yapıya kapiler tipi sensör denir. Sensörü mekanik olarak koruma yanı sıra, film aynı zamanda bir süzgeç olarak işlev görür ve istenmeyen parçacıkları kaldırır. Uygun moleküler ağırlığa sahip olan gazın geçmesini sağlamak için hem film hem de kapiler için doğru delik boyutunu seçmek önemlidir. Delik boyutu, yeterli miktarda gaz molekülünün algılayıcı elektrotuna ulaşmasını sağlarken, sıvı elektrolitin sızmasına veya hızlı kurumasına engel olmalıdır.

2. Elektrot: Elektrot malzemesini dikkatlice seçmek çok önemlidir. Malzeme, uzun süreli yarı-elektrolitik bir reaksiyon gerçekleştirebilen katalitik olmalıdır. Genellikle, gaz molekülleriyle etkili bir şekilde kataliz aracılığıyla reaksiyon gösterebilen platin veya altın gibi nadir metallerden yapılmış elektrotlar kullanılır. Sensörün tasarımına bağlı olarak, üç elektrot farklı malzemelerden yapılmış olabilir ki bu da elektroliz reaksiyonunu kolaylaştırsın.

3. Elektrolit: Elektrolit, elektrolitik reaksiyonları sağlayabilecek ve iyonik yükü elektroduna verimli bir şekilde aktarabilecek kadar olmalıdır. Ayrıca, referans elektrotu ile sabit bir referans potansiyel oluşturmalı ve sensör içinde kullanılan malzemelerle uyumlu olmalıdır. Elektrolitin hızlı bir şekilde buharlaşması, sensör sinyalini zayıflatmasına neden olabilir ve bu da doğruluğunu ve güvenilirliğini tehlikeye atabilir.

4. Filtreler: Senzörün önüne, istenmeyen gazları yok etmek için bazen temizleyici filtreler konumlandırılır. Filtrelerin seçimi sınırlıdır ve her bir türünün farklı bir verimlilik seviyesi vardır. Aktif kömür, çoğu kimyasalı (karbon monoksit hariç) etkili şekilde süzerek en yaygın olarak kullanılan filtre malzemesidir. Uygun filtre ortamını dikkatlice seçerek elektrokimyasal sensörler, hedefledikleri gazlara karşı artırılmış bir seçicilik kazanır.

ⅲ. Elektrokimyasal Sensörün Sınıflandırılması

Elektrokimyasal sensörleri sınıflandırmak birçok yolu vardır. Çeşitli çıkış sinyallerine bağlı olarak, potansiyometrik sensörler, amperometrik sensörler ve iletkenlik sensörlerine bölünebilirler.

Elektrokimyasal sensörlerin algıladıkları maddelere göre, elektrokimyasal sensörler ana başlıkta iyon sensörleri, gaz sensörleri ve biyosensörler olarak sınıflandırılabilir.

ⅳ. Ana Özellikler ve Etkileyen Faktörler

1. Duyarlılık

Duyarlılığı etkileyen ana faktörler şunları içerir: katalizör aktivitesi, hava alımı, elektrolit iletkenliği ve çevresel sıcaklık.

2. Yanıt kurtarma

Yanıt kurtarma hızını etkileyen ana faktörler, katalizör aktivitesi, elektrolit iletkenliği, gaz odası yapısı, gaz özellikleri vb.

3. Seçicilik/Çapraz-arıza

Seçiciliği etkileyen ana faktörler, katalizör türü, elektrolit, yanlılık gerilimi, filtre vb. içerir.

4. Tekrarlılabilirlik/Uzun vadeli kararlılık

Tekrarlılığı etkileyen faktörler şunları içerir: elektrot yapısı kararlılığı, elektrolit kararlılığı, gaz devresi kararlılığı vb.

5. Yüksek ve düşük sıcaklık performansı

Yüksek ve düşük sıcaklık kararlılığını etkileyen faktörler şunları içerir: katalizör aktivitesi, elektrot yapısı kararlılığı ve gaz özellikleri.

V. Elektrokimyasal sensörlerin dört büyük uygulaması

Elektrokimyasal sensörler, gaz algılama alanında endüstriyel ve sivil bölgelerde yaygın olarak kullanılır, ozon, formaldehid, karbon monoksit, amonyak, hydrogen sulfit, sülfür dioksit, nitrojen dioksit, oksijen ve diğer gazları tespit edebilir, genellikle taşınabilir aletlerde ve gaz çevrimiçi izleme aletlerinde kullanılır.

1. Nem Sensörü

Nem, hava ortamının önemli bir göstergesidir; havadaki nem ve insan vücut between buharlaşma ısı ile yakından ilişkilidir. Yüksek sıcaklık ve yüksek nemde, insan vücut suyunun buharlaşması zorlaşır ve bastırıcı hissedilir. Düşük sıcaklık ve yüksek nemde, insan vücut ısısı sert bir şekilde kaybedilir ve soğuk algınlığı veya donma riski artar. İnsan vücut için en uygun sıcaklık 18~22℃, göreli nem ise %35~%65 RH'dir. Çevre ve sağlık izlemede, havanın nemini belirlemek için genellikle ıslak iplik termometre, elle çevrilen nemölçer ve ventile edilmiş nemölçer gibi aletler kullanılır.

Son yıllarda, havadaki nemi belirlemek için sensörlerin kullanımı üzerine birçok literatür raporu bulunmaktadır. Orta nispetli nemi belirlemek için kullanılan kaplamalı piezoelektrik kuyt Kristalleri, fotolitografya ve kimyasal aşma teknikleriyle küçük piezoelektrik kuyt kristallerine dönüştürülür ve yüksek kütle duyarlılığı olan nemlere karşı AT kesimi 10 MHz kuyt kristallerinin dört maddesi kaplanır. Kristal, kütle ile değişen frekanslı bir salınımlı devredeki bir rezonatördür ve uygun kaplama seçilirse, sensör farklı gazların göreceli nemini belirlemek için kullanılabilir. Sensörün duyarlılığı, yanıt doğrusallığı, yanıt zamanı, seçicilik, histerezis ve ömürü, kaplama kimyasının doğasıyla ilgilidir.

2、Nitrogen oksit sensörü

Azot oksidi, genellikle NOX olarak ifade edilen, gazların bir karışımıyla oluşan azotun oksitlerinin bir çeşididir. Azot oksidinde, farklı formlarındaki azot oksitlerin kimyasal kararlılığı farklıdır ve hava genellikle azot monoksit ve azot dioksit gibi daha kimyasal olarak kararlı niteliklere sahip azot oksitleri halinde bölünür; diğer azot oksit formlarından daha önemli olabilecekleri için hijyen açısından önemi daha belirgin hale gelir.

Çevre analizinde, azot oksidi genellikle ikili azot oksidini ifade eder. Çin'in azot oksitlerini izlemek için kullanılan standart yöntemi, naftalen etilen diamine hidrojodür renkölçümü yöntemidir, bu yöntemin duyarlılığı 0.25ug/5ml'dir, dönüşüm katsayısı yöntemi emici çözeltinin bileşimi, ikili azot oksidinin konsantrasyonu, gaz toplama hızı, emici tüpün yapısı, eşzamanlı iyonların varlığı ve sıcaklık gibi birçok faktör tarafından etkilenir ve tamamen birleşik değildir. Sensör belirleme, son yıllarda geliştirilmiş yeni bir yöntemdir.

3、Kükürt Dioksit Gaz Sensörü

Sülfür dihidrit, özel bir çürük yumurta kokuyla bir renksiz, yanıcı gazdır; bu gaz iritasyon ve boğucu etkisi gösterir ve insan sağlığına zararlıdır. Hava içindeki sülfür dihidritin belirlenmesi için kullanılan çoğu yöntem kalorimetri ve gaz kromatografisidir. Genellikle mg/m³ seviyesine kadar düşen hava kirliliği faktörlerinin tespiti, gaz sensörlerinin ana uygulamalarından biridir, ancak yarıiletken gaz sensörleri, belirli kirlilik gazlarının kısa süreli izlenmesi için gereken duyarlılık ve seçicilik gereksinimlerini karşılayamaz.

Gümüş-dopingli ince film sensör dizisi, dört sensörden oluşmaktadır ve bu sensörler, koulometrik titrasyona dayalı evrensel bir analizör ve yarıiletken gaz sensör dizisi sinyallerini kullanarak simultaneously sulphurdioxit ve sülfür dihidrit konsantrasyonlarını kaydeder. Uygulamada, 150 °C'de sabit sıcaklıkta kullanılan gümüş-dopingli ince film sensörlerinin, kentsel havadaki sülfür dihidrit içeriğini izlemek için etkin olduğu görülmüştür.

4. Sülfür Dioksit Sensörü

Sülfür dioksit, hava kirliliğini oluşturan ana maddelerden biridir ve havadaki sülfür dioksitleri tespit etmek, hava testlerinin düzenli bir parçasıdır. Sensörlerin sülfür dioksit izlemede kullanımı, tespit süresini kısaltmaya kadar tespit sınırını düşürmeye kadar büyük üstünlük göstermiştir. Katı polimerler iyon değiştirme membranları olarak kullanılır, membranın bir tarafında karşı ve referans elektrotlar için iç elektrolitler bulunurken, diğer tarafa platin bir elektrot takılarak sülfür dioksit sensörü oluşturulur. Sensör, akış hücreinde monte edilir ve 0,65V gerilimde sülfür dioksiti oksidasyon yapar. Sülfür dioksit miktarı ardından gösterilir. Algılayıcı cihaz, yüksek akım duyarlılığı, kısa yanıt zamanı, iyi istikrar, düşük arka plan gürültüsü, 0,2 mmol/L doğrusal aralığı, 8*10^-6 mmol/L tespit sınırı ve 3 sinyal-gürültü oranı göstermektedir.

Sensör, hava içindeki kükürt dioksidini sadece tespit etmekle kalmaz, aynı zamanda düşük iletkenlikteki sıvıdaki kükürt dioksidini de tespit etmek için kullanılabilir. Organik olarak değiştirilmiş silikat ince film kükürt dioksidi gaz sensörü için gaz-duyarlı kaplama, sol-gel süreci ve spin teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Bu kaplama, kükürt dioksidi belirlemesinde harika bir tekrarlanabilirlik ve tersine çevrilebilirlik gösterir ve 20 saniye den daha kısa bir yanıt süresine sahiptir. Ayrıca, diğer gazlarla az miktarda etkileşim gösterir ve sıcaklık ve nem değişikliklerinden nispeten az etkilenir.