Hvad ved du om elektrokemiske sensorer Danmark

Den elektrokemiske sensor er en type sensor, der er afhængig af analyttens elektrokemiske egenskaber for at transducere den kemiske mængde til en elektrisk størrelse til sansning og detektion.

De tidligste elektrokemiske sensorer går tilbage til 1950'erne, hvor de blev brugt til iltovervågning. Og til 1980'erne, hvor de blev brugt til at overvåge en lang række giftige gasser og viste god følsomhed og selektivitet.

Ⅰ. Arbejdsprincippet for elektrokemisk sensor

 Elektrokemiske sensorer virker ved at reagere kemisk med den gas, der måles, og producere et elektrisk signal, der er proportionalt med gaskoncentrationen. De fleste elektrokemiske gassensorer genererer strøm, der er lineært proportional med gaskoncentrationen.

 En elektrokemisk gassensor fungerer som følger: Målgasmolekylerne, der er i kontakt med sensoren, passerer først gennem en membran, der forhindrer kondens og fungerer også som en støvbarriere. Derefter diffunderer gasmolekylerne gennem et kapillarrør, eventuelt gennem et efterfølgende filter, og derefter gennem en hydrofob membran til overfladen af ​​føleelektroden. Der oxideres eller reduceres molekylerne øjeblikkeligt, hvilket genererer eller forbruger elektroner, hvilket genererer en elektrisk strøm.

 Det er vigtigt at bemærke, at mængden af ​​gasmolekyler, der kommer ind i sensoren på denne måde, er begrænset af diffusion gennem kapillæren. Ved at optimere banen opnås et passende elektrisk signal i henhold til det ønskede måleområde. Designet af følerelektroden er afgørende for at opnå høj reaktionsevne over for målgassen og for at undertrykke uønskede reaktioner på forstyrrende gasser. Det involverer et tretrinssystem for faste stoffer, væsker og gasser, og alle involverer kemisk identifikation af analytgassen. Den elektrokemiske celle fuldendes af den såkaldte modelektrode, Cont-elektroden, som afbalancerer reaktionen ved føleelektroden. Ionstrømmen mellem Cont-elektroden og Sen-elektroden transporteres af elektrolytten inde i sensorlegemet, mens strømvejen leveres gennem en ledning, der afsluttes af et stiftstik. En tredje elektrode er normalt inkluderet i elektrokemiske sensorer (3-elektrode sensorer). En såkaldt referenceelektrode bruges til at holde følerelektrodens potentiale på en fast værdi. Til dette formål og normalt til drift af elektrokemiske sensorer kræves et konstant potentialekredsløb.

Ⅱ. Komponenter af en elektrokemisk sensor

Den elektrokemiske sensor består af følgende fire nøglekomponenter:

1. Åndbare membraner (også kendt som hydrofobe membraner): Disse membraner tjener til at dække de følende (katalytiske) elektroder og i visse tilfælde regulere molekylvægten af ​​gasser, der når elektrodeoverfladen. Typisk er disse membraner fremstillet af teflonfilm med lav porøsitet. Når disse membraner anvendes til at dække elektroderne, omtales sensorerne som coatede sensorer. Alternativt kan en højporøs teflonfilm anvendes sammen med en kapillar til at kontrollere molekylvægten af ​​den gas, der når elektrodens overflade. Denne konfiguration er kendt som en sensor af kapillartypen. Udover at give mekanisk beskyttelse til sensoren, fungerer filmen også som et filter, der eliminerer uønskede partikler. For at sikre, at den passende molekylvægt af gassen får lov til at passere igennem, er det afgørende at vælge den passende åbningsstørrelse for både membranen og kapillæren. Åbningsstørrelsen skal tillade tilstrækkelige gasmolekyler at nå følerelektroden, samtidig med at den forhindrer lækage eller hurtig tørring af den flydende elektrolyt.

2. Elektrode: Det er afgørende at omhyggeligt udvælge elektrodematerialet. Materialet skal være katalytisk, i stand til at udføre en semi-elektrolytisk reaktion over en længere periode. Typisk er elektroder lavet af ædle metaller, såsom platin eller guld, som reagerer effektivt med gasmolekyler gennem katalyse. Afhængigt af sensorens design kan de tre elektroder være konstrueret af forskellige materialer for at lette elektrolysereaktionen.

3. Elektrolyt: Elektrolytten skal være i stand til at lette elektrolytiske reaktioner og effektivt transducere ionisk ladning til elektroden. Den skal også danne et stabilt referencepotentiale med referenceelektroden og være kompatibel med de materialer, der anvendes i sensoren. Desuden kan hurtig fordampning af elektrolytten føre til en svækkelse af sensorsignalet, hvilket potentielt kompromitterer dets nøjagtighed og pålidelighed.

4. Filtre: Lejlighedsvis er skrubberfiltre placeret foran sensoren for at fjerne uønskede gasser. Udvalget af filtre er begrænset, hvor hver type udviser et særskilt effektivitetsniveau. Aktivt kul står som det mest udbredte filtermateriale, der effektivt filtrerer de fleste kemikalier fra, undtagen kulilte. Ved omhyggeligt at vælge de passende filtermedier opnår elektrokemiske sensorer en øget selektivitet over for deres tilsigtede gasser.

Ⅲ. Klassificering af elektrokemisk sensor

Der er mange måder at klassificere elektrokemiske sensorer på. Afhængigt af deres varierende udgangssignaler kan de opdeles i potentiometriske sensorer, amperometriske sensorer og konduktometriske sensorer.

Ifølge de stoffer, der detekteres af elektrokemiske sensorer, kan elektrokemiske sensorer hovedsageligt klassificeres i ionsensorer, gassensorer og biosensorer.

Ⅳ. Hovedegenskaber og indflydelsesfaktorer

1. Følsomhed

De vigtigste faktorer, der påvirker følsomheden, omfatter: katalysatoraktivitet, luftindtag, elektrolytledningsevne og omgivende temperatur.

2. Gendannelse af respons

De vigtigste faktorer, der påvirker responsgenvindingshastigheden, er katalysatoraktivitet, elektrolytledningsevne, gaskammerstruktur, gasegenskaber osv.

3. Selektivitet/krydsinterferens

De vigtigste faktorer, der påvirker selektiviteten, omfatter typen af ​​katalysator, elektrolyt, forspænding, filter osv.

4. Gentagelighed/Langtidsstabilitet

Faktorer, der påvirker repeterbarheden omfatter: elektrodestrukturstabilitet, elektrolytstabilitet, gaskredsløbsstabilitet osv.

5、 Ydeevne ved høj og lav temperatur

Faktorer, der påvirker høj- og lavtemperaturstabilitet, omfatter: katalysatoraktivitet, elektrodestrukturstabilitet og gaskarakteristika.

V. Fire hovedanvendelser af elektrokemiske sensorer

Elektrokemiske sensorer er meget udbredt i industrielle og civile områder inden for gasdetektion, kan detektere ozon, formaldehyd, kulilte, ammoniak, svovlbrinte, svovldioxid, nitrogendioxid, oxygen og andre gasser, der almindeligvis anvendes i bærbare instrumenter og gas-onlineovervågningsinstrumenter.

1. Fugtighedssensor

Fugtighed er en vigtig indikator for luftmiljøet, luftens fugtighed og den menneskelige krop har et tæt forhold mellem fordampningsvarmen, høj temperatur og høj luftfugtighed, på grund af den menneskelige krops vandfordampningsvanskeligheder og føles indelukket, lav temperatur og høj luftfugtighed, den menneskelige krops varmeafledningsproces er intens, let at forårsage forkølelse og forfrysninger. Den mest egnede temperatur for menneskekroppen er 18 ~ 22 ℃, relativ luftfugtighed er 35% ~ 65% RH. I miljø- og sundhedsovervågning bruges det almindeligvis i vådt pære termo-hygrometer, hånddrevet hygrometer og ventilationshygrometer og andre instrumenter til at bestemme luftfugtigheden.

I de senere år har en lang række litteratur rapporteret om brugen af ​​sensorer til at bestemme luftfugtighed. De belagte piezoelektriske kvartskrystaller, der bruges til bestemmelse af relativ fugtighed, laves til små piezoelektriske kvartskrystaller ved fotolitografi og kemiske ætsningsteknikker, og fire stoffer er belagt på de AT-skårne 10 MHz kvartskrystaller, som har en høj massefølsomhed over for fugt. Krystallen er en resonator i et oscillerende kredsløb, hvis frekvens varierer med massen, og ved at vælge den passende belægning kan sensoren bruges til at bestemme den relative fugtighed af forskellige gasser. Sensorens følsomhed, responslinearitet, responstid, selektivitet, hysterese og levetid afhænger af belægningskemikaliernes beskaffenhed.

2, Nitrogenoxidsensor

Nitrogenoxid er en række nitrogenoxider sammensat af en blanding af gasser, ofte udtrykt som NOX. I nitrogenoxidet er forskellige former for nitrogenoxids kemiske stabilitet forskellig, luften er ofte opdelt i relativt stabile kemiske egenskaber af nitrogenmonoxid og nitrogendioxid, deres betydning i hygiejnen ser ud til at være vigtigere end andre former for nitrogenoxid.

I miljøanalyse refererer nitrogenoxid generelt til nitrogendioxid. Kinas standardmetode til overvågning af nitrogenoxider er den kolorimetriske metode for naphthalenethylendiaminhydrochlorid, følsomheden af ​​metoden er 0.25 ug/5ml, metoden til konverteringskoefficient påvirkes af sammensætningen af ​​den absorberende opløsning, koncentrationen af ​​nitrogendioxid, hastigheden af gasopsamling, strukturen af ​​absorberrøret, sameksistensen af ​​ioner og temperatur og mange andre faktorer, der ikke er fuldstændig forenet. Sensorbestemmelse er en ny metode udviklet i de senere år.

3, Hydrogensulfidgassensor

Svovlbrinte er en farveløs, brændbar gas med en speciel lugt af rådne æg, som er irriterende og kvælende og skadelig for den menneskelige krop. De fleste metoder bruger kalorimetri og gaskromatografi til at bestemme svovlbrinte i luften. Bestemmelsen af ​​luftforurenende stoffer, hvis indhold ofte er så lavt som mg/m3-niveauet er en af ​​hovedanvendelserne af gassensorer, men halvledergassensorer er ikke i stand til at opfylde kravene til følsomhed og selektivitet til overvågning af visse forurenende gasser i en kort periode af tid.

Det sølvdoterede tyndfilmssensorarray består af fire sensorer, der samtidigt registrerer koncentrationerne af svovldioxid og hydrogensulfid ved hjælp af en universalanalysator baseret på kulometrisk titrering og signalerne fra halvledergassensorarrayet. Praksis har vist, at sølvdoterede tyndfilmssensorer, der anvendes ved 150 °C i konstant temperatur, er effektive til at overvåge svovlbrinteindhold i byluft.

4. Svovldioxidsensor

Svovldioxid er et af de vigtigste stoffer, der forurener luften, og påvisning af svovldioxid i luften er en fast del af lufttestning. Anvendelsen af ​​sensorer til overvågning af svovldioxid har vist stor overlegenhed, lige fra at forkorte detektionstiden til at sænke detektionsgrænsen. Faste polymerer anvendes som ionbyttermembraner, hvor den ene side af membranen indeholder interne elektrolytter til mod- og referenceelektroderne, og en platinelektrode indsat på den anden side for at danne svovldioxidsensoren. Sensoren er monteret i en flowcelle og oxiderer svovldioxid ved en spænding på 0.65V. Derefter angives svovldioxidindholdet. Føleren udviser høj strømfølsomhed, kort responstid, god stabilitet, lav baggrundsstøj, et lineært område på 0.2 mmol/L, en detektionsgrænse på 8*10-6 mmol/L og et signal-til-støj-forhold af 3.

Sensoren kan ikke kun detektere svovldioxid i luften, men også bruges til at detektere svovldioxid i væske med lav ledningsevne. Den gasfølsomme belægning af den organisk modificerede silikat tyndfilm svovldioxidgassensor blev fremstillet ved hjælp af sol-gel-proces og spin-teknologi. Denne belægning udviser fremragende reproducerbarhed og reversibilitet i svovldioxidbestemmelse med en hurtig responstid på mindre end 20 sekunder. Derudover viser den minimal interaktion med andre gasser og er minimalt påvirket af ændringer i temperatur og fugtighed.