Bạn biết gì về cảm biến điện hóa?

Cảm biến điện hóa là một loại cảm biến dựa trên đặc tính điện hóa của chất phân tích để chuyển đổi lượng hóa học thành lượng điện cho việc cảm ứng và phát hiện.

Các cảm biến điện hóa sớm nhất có từ những năm 1950, khi chúng được sử dụng để giám sát nồng độ oxy. Và đến những năm 1980, khi chúng được sử dụng để giám sát một loạt các khí độc và cho thấy độ nhạy và khả năng chọn lọc tốt.

ⅰ. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa hoạt động bằng cách phản ứng hóa học với khí đang được đo và tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ thuận với nồng độ khí. Hầu hết các cảm biến khí điện hóa đều tạo ra dòng điện tỷ lệ thuận tuyến tính với nồng độ khí.

Một cảm biến khí điện hóa hoạt động như sau: Các phân tử khí mục tiêu khi tiếp xúc với cảm biến sẽ trước tiên đi qua một màng ngăn nhằm ngăn chặn sự ngưng tụ và cũng hoạt động như một lớp lọc bụi. Sau đó, các phân tử khí khuếch tán qua một ống mao dẫn, có thể qua một bộ lọc tiếp theo, và sau đó qua một màng chống thấm đến bề mặt của điện cực cảm biến. Tại đó, các phân tử bị oxi hóa hoặc khử ngay lập tức, tạo ra hoặc tiêu thụ các electron, từ đó sinh ra một dòng điện.

Điều quan trọng cần lưu ý là lượng phân tử khí đi vào cảm biến theo cách này bị giới hạn bởi quá trình khuếch tán qua ống mao dẫn. Bằng cách tối ưu hóa đường đi, một tín hiệu điện thích hợp được thu được theo phạm vi đo lường mong muốn. Thiết kế của điện cực cảm biến là yếu tố then chốt để đạt được độ nhạy cao đối với khí mục tiêu và giảm thiểu các phản ứng không mong muốn với khí gây nhiễu. Nó bao gồm một hệ thống ba giai đoạn cho rắn, lỏng và khí, và tất cả đều liên quan đến việc nhận dạng hóa học khí phân tích. Pin điện hóa được hoàn thành bởi điện cực đối kháng, còn gọi là điện cực Cont, cân bằng phản ứng tại điện cực cảm biến. Dòng ion giữa điện cực Cont và điện cực Sen được vận chuyển bởi chất điện giải bên trong thân cảm biến, trong khi đường dẫn dòng điện được cung cấp thông qua dây kết thúc bằng đầu nối cắm. Một điện cực thứ ba thường được bao gồm trong các cảm biến điện hóa (cảm biến 3 điện cực). Một điện cực tham chiếu được sử dụng để giữ điện thế của điện cực cảm biến ở một giá trị cố định. Vì mục đích này và thông thường cho hoạt động của các cảm biến điện hóa, cần có một mạch điện thế hằng số.

ⅱ. Các thành phần của một cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa bao gồm bốn thành phần chính sau:

1. Màng thấm khí (còn được gọi là màng khử nước): Những màng này có chức năng bao phủ các điện cực cảm biến (điện cực xúc tác) và, trong một số trường hợp, điều chỉnh khối lượng phân tử của khí đạt đến bề mặt điện cực. Thông thường, những màng này được chế tạo từ phim Teflon với độ xốp thấp. Khi những màng này được sử dụng để bao phủ các điện cực, các cảm biến được gọi là cảm biến có lớp phủ. Hoặc có thể sử dụng phim Teflon có độ xốp cao cùng với một ống mao dẫn để kiểm soát khối lượng phân tử của khí đạt đến bề mặt điện cực. Cấu hình này được gọi là cảm biến loại ống mao dẫn. Ngoài việc cung cấp sự bảo vệ cơ học cho cảm biến, tấm phim còn hoạt động như một bộ lọc, loại bỏ các hạt không mong muốn. Để đảm bảo khối lượng phân tử thích hợp của khí được phép đi qua, việc chọn kích thước lỗ phù hợp cho cả màng và ống mao dẫn là rất quan trọng. Kích thước lỗ phải cho phép đủ phân tử khí đến điện cực cảm biến mà không gây rò rỉ hoặc làm khô nhanh dung dịch điện giải.

2. Electrode: Việc chọn vật liệu điện cực một cách cẩn thận là rất quan trọng. Vật liệu cần có khả năng xúc tác, có thể thực hiện phản ứng bán điện phân trong thời gian dài. Thông thường, các điện cực được làm từ kim loại quý, như bạch kim hoặc vàng, có khả năng phản ứng hiệu quả với các phân tử khí thông qua quá trình xúc tác. Tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến, ba điện cực có thể được làm từ các vật liệu khác nhau để hỗ trợ cho phản ứng điện phân.

3. Electrolyte: Điện giải phải có khả năng hỗ trợ các phản ứng điện phân và chuyển đổi hiệu quả điện tích ion đến điện cực. Nó cũng cần tạo ra một tiềm năng tham chiếu ổn định với điện cực tham chiếu và tương thích với các vật liệu được sử dụng bên trong cảm biến. Hơn nữa, sự bay hơi nhanh chóng của điện giải có thể dẫn đến suy yếu tín hiệu của cảm biến, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và độ tin cậy của nó.

4. Lọc: Đôi khi, các bộ lọc của máy làm sạch được đặt trước cảm biến để loại bỏ các khí không mong muốn. Sự lựa chọn các bộ lọc là có giới hạn, với mỗi loại thể hiện một mức độ hiệu quả khác nhau. Than hoạt tính là vật liệu lọc được sử dụng rộng rãi nhất, có khả năng lọc hầu hết các hóa chất, ngoại trừ monoxit carbon. Bằng cách cẩn thận chọn đúng loại vật liệu lọc, các cảm biến điện hóa đạt được sự chọn lọc cao hơn đối với khí mà chúng nhắm đến.

ⅲ. Phân loại Cảm biến Điện hóa

Có nhiều cách để phân loại cảm biến điện hóa. Tùy thuộc vào tín hiệu đầu ra khác nhau, chúng có thể được chia thành cảm biến điện thế, cảm biến ampe và cảm biến dẫn điện.

Theo các chất được phát hiện bởi cảm biến điện hóa, cảm biến điện hóa chủ yếu có thể được phân loại thành cảm biến ion, cảm biến khí và cảm biến sinh học.

ⅳ. Các Thuộc Tính Chính và Yếu Tố Ảnh Hưởng

1. Độ nhạy

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhạy bao gồm: hoạt tính của chất xúc tác, lượng khí đưa vào, độ dẫn điện của điện giải và nhiệt độ môi trường.

2. Phục hồi phản ứng

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phục hồi phản ứng là hoạt tính của chất xúc tác, độ dẫn điện của điện giải, cấu trúc buồng khí, đặc tính khí, v.v.

3. Tính chọn lọc/Can thiệp chéo

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chọn lọc bao gồm loại chất xúc tác, điện giải, điện áp chệch phase, bộ lọc, v.v.

4. Tính lặp lại/Độ ổn định dài hạn

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính lặp lại bao gồm: sự ổn định của cấu trúc điện cực, sự ổn định của điện giải, sự ổn định của đường dẫn khí, v.v.

5. Hiệu suất ở nhiệt độ cao và thấp

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định ở nhiệt độ cao và thấp bao gồm: hoạt tính của chất xúc tác, sự ổn định của cấu trúc điện cực và đặc tính khí.

V. Bốn ứng dụng chính của cảm biến điện hóa học

Các cảm biến điện hóa được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và dân sự của việc phát hiện khí, có thể phát hiện ozone, formaldehyd, carbon monoxide, amoniac, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, oxygen và các loại khí khác, thường được sử dụng trong thiết bị di động và thiết bị theo dõi trực tuyến khí.

1. Cảm biến độ ẩm

Độ ẩm là một chỉ số quan trọng của môi trường không khí, độ ẩm trong không khí và cơ thể con người có mối liên hệ chặt chẽ với quá trình bay hơi nhiệt, nhiệt độ cao và độ ẩm cao khiến cơ thể khó khăn trong việc thoát nước và cảm thấy ngột ngạt, nhiệt độ thấp và độ ẩm cao thì quá trình tản nhiệt của cơ thể diễn ra mạnh mẽ, dễ gây cảm lạnh và bỏng lạnh. Nhiệt độ thích hợp nhất cho cơ thể người là 18~22℃, độ ẩm tương đối là 35%~65% RH. Trong giám sát môi trường và sức khỏe, thường sử dụng các dụng cụ như nhiệt kế ẩm độ bóng ướt, ẩm kế quay tay và ẩm kế thông gió để xác định độ ẩm trong không khí.

Trong những năm gần đây, có một số lượng lớn báo cáo trong văn献 về việc sử dụng cảm biến để xác định độ ẩm không khí. Các tinh thể thạch anh điện từ được phủ lớp vật liệu và được sử dụng để xác định độ ẩm tương đối, được chế tạo thành các tinh thể thạch anh điện từ nhỏ bằng kỹ thuật quang khắc và ăn mòn hóa học, và bốn chất được phủ lên các tinh thể thạch anh AT-cut 10 MHz, vốn có độ nhạy khối lượng cao đối với độ ẩm. Tinh thể này là bộ cộng hưởng trong mạch dao động mà tần số của nó thay đổi theo khối lượng, và bằng cách chọn lớp phủ phù hợp, cảm biến có thể được sử dụng để xác định độ ẩm tương đối của các loại khí khác nhau. Độ nhạy, tính tuyến tính của phản ứng, thời gian phản ứng, sự chọn lọc, độ trễ và tuổi thọ của cảm biến phụ thuộc vào bản chất của các hóa chất được phủ.

2、Cảm biến oxit nitơ

Oxide nitơ là một loại oxit của nitơ được cấu thành từ một hỗn hợp khí, thường được biểu đạt dưới dạng NOX. Trong oxide nitơ, tính ổn định hóa học của các dạng oxide nitơ khác nhau là không giống nhau, trong không khí chúng thường được chia thành nitơ monoxit và dioxide nitơ có tính chất hóa học tương đối ổn định, ý nghĩa về vệ sinh của chúng dường như quan trọng hơn so với các dạng oxide nitơ khác.

Trong phân tích môi trường, oxit nitơ thường chỉ oxide nitơ II (NO2). Phương pháp chuẩn của Trung Quốc để giám sát oxit nitơ là phương pháp màu sắc naphthalene ethylenediamine hydrochloride, độ nhạy của phương pháp này là 0,25ug/5ml, hệ số chuyển đổi bị ảnh hưởng bởi thành phần dung dịch hấp thụ, nồng độ dioxide nitơ, tốc độ thu thập khí, cấu trúc ống hấp thụ, sự đồng tồn tại của các ion và nhiệt độ cùng nhiều yếu tố khác, chưa hoàn toàn thống nhất. Xác định bằng cảm biến là phương pháp mới phát triển trong những năm gần đây.

3、Cảm biến khí sulfua hidro

Hydrogen sulfide là một loại khí không màu, có thể cháy, với mùi trứng thối đặc trưng, gây kích ứng và ngạt thở, đồng thời có hại cho cơ thể con người. Hầu hết các phương pháp đều sử dụng calorimetry và sắc ký khí để xác định hydrogen sulfide trong không khí. Việc xác định các chất ô nhiễm không khí, mà hàm lượng thường chỉ ở mức mg/m3, là một trong những ứng dụng chính của cảm biến khí, nhưng các cảm biến khí bán dẫn không đáp ứng được yêu cầu độ nhạy và chọn lọc để giám sát một số khí ô nhiễm trong thời gian ngắn.

Mảng cảm biến màng mỏng chứa bạc bao gồm bốn cảm biến ghi lại đồng thời nồng độ dioxide lưu huỳnh và hydrogen sulfide bằng máy phân tích phổ quát dựa trên coulometric titration và tín hiệu từ mảng cảm biến khí bán dẫn. Thực tiễn đã chứng minh rằng việc sử dụng cảm biến màng mỏng chứa bạc ở 150 °C theo cách duy trì nhiệt độ ổn định là hiệu quả để giám sát hàm lượng hydrogen sulfide trong không khí đô thị.

4. Cảm biến Dioxide Lưu huỳng

Dioxide lưu huỳng là một trong những chất chính gây ô nhiễm không khí, và việc phát hiện dioxide lưu huỳnh trong không khí là một phần thường xuyên của việc kiểm tra không khí. Việc ứng dụng cảm biến trong việc giám sát dioxide lưu huỳng đã cho thấy sự ưu việt lớn, từ việc rút ngắn thời gian phát hiện đến việc hạ thấp giới hạn phát hiện. Polyme rắn được sử dụng làm màng trao đổi ion, với một bên của màng chứa điện giải nội bộ cho các điện cực đối và chuẩn, và một điện cực bạch kim được chèn vào bên kia để tạo thành cảm biến dioxide lưu huỳng. Cảm biến được lắp đặt trong tế bào dòng chảy và oxy hóa dioxide lưu huỳng ở điện áp 0,65V. Nội dung dioxide lưu huỳng sau đó được chỉ ra. Thiết bị cảm biến thể hiện độ nhạy dòng điện cao, thời gian đáp ứng ngắn, tính ổn định tốt, tiếng ồn nền thấp, phạm vi tuyến tính là 0,2 mmol/L, giới hạn phát hiện là 8*10-6 mmol/L, và tỷ số tín hiệu trên nhiễu là 3.

Cảm biến không chỉ có thể phát hiện dioxit lưu huỳnh trong không khí mà còn có thể được sử dụng để phát hiện dioxit lưu huỳnh trong chất lỏng có độ dẫn điện thấp. Lớp phủ nhạy cảm khí của cảm biến khí dioxit lưu huỳnh màng mỏng silicate được sửa đổi hữu cơ đã được chế tạo bằng quy trình sol-gel và công nghệ quay. Lớp phủ này cho thấy khả năng tái lập và khả đảo ngược tuyệt vời trong việc xác định dioxit lưu huỳnh, với thời gian phản hồi nhanh dưới 20 giây. Ngoài ra, nó cho thấy sự tương tác tối thiểu với các loại khí khác và bị ảnh hưởng rất ít bởi sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm.