Was wissen Sie über elektrochemische Sensoren Deutschland

Der elektrochemische Sensor ist ein Sensortyp, der die elektrochemischen Eigenschaften des Analyten nutzt, um die chemische Menge in eine elektrische Menge umzuwandeln und so eine Erfassung und Erkennung zu ermöglichen.

Die ersten elektrochemischen Sensoren stammen aus den 1950er Jahren, als sie zur Sauerstoffüberwachung eingesetzt wurden. Und aus den 1980er Jahren, als sie zur Überwachung einer breiten Palette giftiger Gase verwendet wurden und eine gute Empfindlichkeit und Selektivität zeigten.

Ⅰ. Funktionsprinzip des elektrochemischen Sensors

 Elektrochemische Sensoren reagieren chemisch mit dem zu messenden Gas und erzeugen ein elektrisches Signal, das proportional zur Gaskonzentration ist. Die meisten elektrochemischen Gassensoren erzeugen Strom, der linear proportional zur Gaskonzentration ist.

 Ein elektrochemischer Gassensor funktioniert folgendermaßen: Die Zielgasmoleküle passieren bei Kontakt mit dem Sensor zunächst eine Membran, die Kondensation verhindert und gleichzeitig als Staubbarriere fungiert. Anschließend diffundieren die Gasmoleküle durch ein Kapillarröhrchen, ggf. durch einen nachfolgenden Filter und anschließend durch eine hydrophobe Membran zur Oberfläche der Sensorelektrode. Dort werden die Moleküle sofort oxidiert oder reduziert, wodurch Elektronen erzeugt oder verbraucht werden und ein elektrischer Strom entsteht.

 Es ist wichtig zu beachten, dass die Menge der Gasmoleküle, die auf diese Weise in den Sensor gelangen, durch die Diffusion durch die Kapillare begrenzt ist. Durch Optimierung des Pfads wird ein geeignetes elektrisches Signal entsprechend dem gewünschten Messbereich erhalten. Das Design der Sensorelektrode ist entscheidend, um eine hohe Reaktionsfähigkeit auf das Zielgas zu erreichen und unerwünschte Reaktionen auf Störgase zu unterdrücken. Es handelt sich um ein dreistufiges System für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase, und alle beinhalten die chemische Identifizierung des Analytgases. Die elektrochemische Zelle wird durch die sogenannte Gegenelektrode, die Cont-Elektrode, vervollständigt, die die Reaktion an der Sensorelektrode ausgleicht. Der Ionenstrom zwischen der Cont-Elektrode und der Sen-Elektrode wird durch den Elektrolyten im Sensorkörper transportiert, während der Strompfad durch einen Draht bereitgestellt wird, der mit einem Stiftstecker abgeschlossen ist. Eine dritte Elektrode ist normalerweise in elektrochemischen Sensoren enthalten (3-Elektroden-Sensoren). Eine sogenannte Referenzelektrode wird verwendet, um das Potenzial der Sensorelektrode auf einem festen Wert zu halten. Zu diesem Zweck und normalerweise für den Betrieb elektrochemischer Sensoren ist ein konstanter Potenzialkreis erforderlich.

Ⅱ. Komponenten eines elektrochemischen Sensors

Der elektrochemische Sensor besteht aus den folgenden vier Hauptkomponenten:

1. Atmungsaktive Membranen (auch als hydrophobe Membranen bekannt): Diese Membranen dienen zum Bedecken der Sensorelektroden (katalytische Elektroden) und regulieren in bestimmten Fällen das Molekulargewicht der Gase, die die Elektrodenoberfläche erreichen. Normalerweise werden diese Membranen aus Teflonfolien mit geringer Porosität hergestellt. Wenn diese Membranen zum Bedecken der Elektroden verwendet werden, werden die Sensoren als beschichtete Sensoren bezeichnet. Alternativ kann eine Teflonfolie mit hoher Porosität zusammen mit einer Kapillare verwendet werden, um das Molekulargewicht des Gases zu regulieren, das die Elektrodenoberfläche erreicht. Diese Konfiguration wird als Kapillarsensor bezeichnet. Neben dem mechanischen Schutz des Sensors fungiert die Folie auch als Filter, der unerwünschte Partikel entfernt. Um sicherzustellen, dass das Gas mit dem richtigen Molekulargewicht durchgelassen wird, ist es wichtig, die richtige Öffnungsgröße sowohl für die Membran als auch für die Kapillare auszuwählen. Die Öffnungsgröße muss es ausreichend Gasmolekülen ermöglichen, die Sensorelektrode zu erreichen, und gleichzeitig ein Auslaufen oder schnelles Austrocknen des flüssigen Elektrolyten verhindern.

2. Elektrode: Es ist wichtig, das Elektrodenmaterial sorgfältig auszuwählen. Das Material sollte katalytisch sein und über einen längeren Zeitraum eine semielektrolytische Reaktion durchführen können. Normalerweise werden Elektroden aus Edelmetallen wie Platin oder Gold hergestellt, die durch Katalyse effizient mit Gasmolekülen reagieren. Je nach Sensordesign können die drei Elektroden aus unterschiedlichen Materialien bestehen, um die Elektrolysereaktion zu erleichtern.

3. Elektrolyt: Der Elektrolyt muss elektrolytische Reaktionen ermöglichen und ionische Ladung effizient an die Elektrode übertragen können. Er muss außerdem ein stabiles Referenzpotential mit der Referenzelektrode bilden und mit den im Sensor verwendeten Materialien kompatibel sein. Darüber hinaus kann eine schnelle Verdunstung des Elektrolyts zu einer Schwächung des Sensorsignals führen und so möglicherweise dessen Genauigkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

4. Filter: Gelegentlich werden Gaswäscher vor den Sensoren platziert, um unerwünschte Gase zu eliminieren. Die Auswahl an Filtern ist begrenzt, wobei jeder Typ einen unterschiedlichen Wirkungsgrad aufweist. Aktivkohle ist das am häufigsten verwendete Filtermaterial und filtert die meisten Chemikalien, mit Ausnahme von Kohlenmonoxid, effektiv heraus. Durch die sorgfältige Auswahl des geeigneten Filtermediums erreichen elektrochemische Sensoren eine erhöhte Selektivität gegenüber den gewünschten Gasen.

Ⅲ. Klassifizierung des elektrochemischen Sensors

Es gibt viele Möglichkeiten, elektrochemische Sensoren zu klassifizieren. Abhängig von ihren unterschiedlichen Ausgangssignalen können sie in potentiometrische Sensoren, amperometrische Sensoren und konduktometrische Sensoren unterteilt werden.

Nach den von elektrochemischen Sensoren erkannten Substanzen können elektrochemische Sensoren hauptsächlich in Ionensensoren, Gassensoren und Biosensoren eingeteilt werden.

Ⅳ. Haupteigenschaften und Einflussfaktoren

1. Empfindlichkeit

Zu den Hauptfaktoren, die die Empfindlichkeit beeinflussen, zählen: Katalysatoraktivität, Luftzufuhr, Elektrolytleitfähigkeit und Umgebungstemperatur.

2. Antwortwiederherstellung

Die Hauptfaktoren, die die Reaktionswiederherstellungsgeschwindigkeit beeinflussen, sind Katalysatoraktivität, Elektrolytleitfähigkeit, Gaskammerstruktur, Gaseigenschaften usw.

3. Selektivität/Kreuzinterferenz

Zu den Hauptfaktoren, die die Selektivität beeinflussen, gehören die Art des Katalysators, des Elektrolyten, der Vorspannung, des Filters usw.

4. Wiederholbarkeit/Langzeitstabilität

Zu den Faktoren, die die Wiederholbarkeit beeinflussen, gehören: Stabilität der Elektrodenstruktur, Elektrolytstabilität, Stabilität des Gaskreislaufs usw.

5. Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen

Zu den Faktoren, die die Stabilität bei hohen und niedrigen Temperaturen beeinflussen, zählen die Katalysatoraktivität, die Stabilität der Elektrodenstruktur und die Gaseigenschaften.

V. Vier Hauptanwendungen elektrochemischer Sensoren

Elektrochemische Sensoren werden häufig in der industriellen und zivilen Gaserkennung eingesetzt. Sie können Ozon, Formaldehyd, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid, Sauerstoff und andere Gase erkennen und werden häufig in tragbaren Geräten und Geräten zur Online-Gasüberwachung verwendet.

1. Feuchtigkeitssensor

Die Luftfeuchtigkeit ist ein wichtiger Indikator für die Luftumgebung. Die Luftfeuchtigkeit und der menschliche Körper stehen in engem Zusammenhang mit der Verdunstungswärme, hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit. Da der menschliche Körper Schwierigkeiten mit der Wasserverdunstung hat und sich stickig fühlt, ist der Wärmeableitungsprozess des menschlichen Körpers bei niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit intensiv und kann leicht zu Erkältungen und Erfrierungen führen. Die am besten geeignete Temperatur für den menschlichen Körper beträgt 18 bis 22 °C, die relative Luftfeuchtigkeit 35 bis 65 %. In der Umwelt- und Gesundheitsüberwachung werden häufig Feuchtkugel-Thermohygrometer, Handkurbel-Hygrometer und Lüftungshygrometer sowie andere Instrumente zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit verwendet.

In den letzten Jahren wurde in zahlreichen Veröffentlichungen über die Verwendung von Sensoren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit berichtet. Die zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit verwendeten beschichteten piezoelektrischen Quarzkristalle werden durch Photolithografie und chemische Ätzverfahren zu kleinen piezoelektrischen Quarzkristallen verarbeitet, und die AT-geschnittenen 10-MHz-Quarzkristalle, die eine hohe Massenempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweisen, werden mit vier Substanzen beschichtet. Der Kristall ist ein Resonator in einem Schwingkreis, dessen Frequenz mit der Masse variiert, und durch Auswahl der geeigneten Beschichtung kann der Sensor zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit verschiedener Gase verwendet werden. Die Empfindlichkeit, Reaktionslinearität, Reaktionszeit, Selektivität, Hysterese und Lebensdauer des Sensors hängen von der Art der Beschichtungschemikalien ab.

2. Stickoxidsensor

Stickoxid ist eine Mischung verschiedener Stickstoffoxide, die häufig als NOX bezeichnet wird. Die chemische Stabilität verschiedener Stickoxidformen ist unterschiedlich. In der Luft werden Stickoxidmonoxid und Stickstoffdioxid häufig in die relativ stabilen chemischen Eigenschaften Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid unterteilt. Ihre Bedeutung für die Hygiene scheint größer zu sein als die anderer Stickoxidformen.

In der Umweltanalyse bezieht sich Stickoxid im Allgemeinen auf Stickstoffdioxid. Chinas Standardmethode zur Überwachung von Stickoxiden ist die kolorimetrische Methode von Naphthalin-Ethylendiaminhydrochlorid. Die Empfindlichkeit der Methode beträgt 0.25 µg/5 ml. Der Umrechnungskoeffizient der Methode wird von der Zusammensetzung der Absorptionslösung, der Konzentration von Stickstoffdioxid, der Geschwindigkeit der Gassammlung, der Struktur des Absorptionsrohrs, dem Zusammenleben von Ionen und Temperatur und vielen anderen Faktoren beeinflusst und ist nicht vollständig einheitlich. Die Sensorbestimmung ist eine neue Methode, die in den letzten Jahren entwickelt wurde.

3. Schwefelwasserstoff-Gassensor

Schwefelwasserstoff ist ein farbloses, brennbares Gas mit einem speziellen Geruch nach faulen Eiern, das reizend und erstickend wirkt und für den menschlichen Körper schädlich ist. Die meisten Methoden verwenden Kalorimetrie und Gaschromatographie, um Schwefelwasserstoff in der Luft zu bestimmen. Die Bestimmung von Luftschadstoffen, deren Gehalt oft nur im mg/m3-Bereich liegt, ist eine der Hauptanwendungen von Gassensoren, aber Halbleiter-Gassensoren können die Empfindlichkeits- und Selektivitätsanforderungen zur Überwachung bestimmter Schadgase in kurzer Zeit nicht erfüllen.

Das silberdotierte Dünnschichtsensorarray besteht aus vier Sensoren, die gleichzeitig die Konzentrationen von Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff mithilfe eines auf coulometrischer Titration basierenden Universalanalysators und der Signale des Halbleitergassensorarrays aufzeichnen. Die Praxis hat gezeigt, dass silberdotierte Dünnschichtsensoren, die bei konstanter Temperatur von 150 °C verwendet werden, zur Überwachung des Schwefelwasserstoffgehalts in der Stadtluft wirksam sind.

4. Schwefeldioxid-Sensor

Schwefeldioxid ist eine der Hauptsubstanzen, die die Luft verschmutzen, und die Erkennung von Schwefeldioxid in der Luft ist ein regelmäßiger Bestandteil von Lufttests. Der Einsatz von Sensoren zur Überwachung von Schwefeldioxid hat sich als sehr überlegen erwiesen, von der Verkürzung der Erkennungszeit bis zur Senkung der Nachweisgrenze. Feste Polymere werden als Ionenaustauschmembranen verwendet, wobei eine Seite der Membran interne Elektrolyte für die Gegen- und Referenzelektroden enthält und auf der anderen Seite eine Platinelektrode eingesetzt ist, um den Schwefeldioxidsensor zu bilden. Der Sensor ist in einer Durchflusszelle montiert und oxidiert Schwefeldioxid bei einer Spannung von 0.65 V. Anschließend wird der Schwefeldioxidgehalt angezeigt. Das Sensorgerät weist eine hohe Stromempfindlichkeit, eine kurze Reaktionszeit, gute Stabilität, geringes Hintergrundrauschen, einen linearen Bereich von 0.2 mmol/l, eine Nachweisgrenze von 8*10-6 mmol/l und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 3 auf.

Der Sensor kann nicht nur Schwefeldioxid in der Luft erkennen, sondern auch Schwefeldioxid in Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit erkennen. Die gasempfindliche Beschichtung des organisch modifizierten Silikat-Dünnschicht-Schwefeldioxid-Gassensors wurde mithilfe von Sol-Gel-Verfahren und Spin-Technologie hergestellt. Diese Beschichtung weist eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und Reversibilität bei der Schwefeldioxidbestimmung auf, mit einer schnellen Reaktionszeit von weniger als 20 Sekunden. Darüber hinaus zeigt sie nur minimale Wechselwirkungen mit anderen Gasen und wird kaum durch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen beeinflusst.