¿Qué sabes sobre los sensores electroquímicos?

El sensor electroquímico es un tipo de sensor que se basa en las propiedades electroquímicas del analito para transducir la cantidad química en una cantidad eléctrica para la detección y detección.

Los primeros sensores electroquímicos datan de la década de 1950, cuando se utilizaban para controlar el oxígeno. Y a la década de 1980, cuando se utilizaban para controlar una amplia gama de gases tóxicos y mostraban buena sensibilidad y selectividad.

Ⅰ. Principio de funcionamiento del sensor electroquímico.

 Los sensores electroquímicos funcionan reaccionando químicamente con el gas que se mide y produciendo una señal eléctrica proporcional a la concentración del gas. La mayoría de los sensores de gas electroquímicos generan una corriente que es linealmente proporcional a la concentración del gas.

 Un sensor de gas electroquímico funciona de la siguiente manera: las moléculas de gas objetivo en contacto con el sensor pasan primero a través de un diafragma que evita la condensación y también actúa como una barrera contra el polvo. Luego, las moléculas de gas se difunden a través de un tubo capilar, posiblemente a través de un filtro posterior, y luego a través de una membrana hidrófoba hasta la superficie del electrodo sensor. Allí las moléculas se oxidan o reducen inmediatamente, generando o consumiendo electrones generando así una corriente eléctrica.

 Es importante señalar que la cantidad de moléculas de gas que ingresan al sensor de esta manera está limitada por la difusión a través del capilar. Optimizando el recorrido se obtiene una señal eléctrica adecuada según el rango de medición deseado. El diseño del electrodo sensor es esencial para lograr una alta capacidad de respuesta al gas objetivo y suprimir respuestas no deseadas a los gases que interfieren. Se trata de un sistema de tres etapas para sólidos, líquidos y gases, y todos implican la identificación química del gas analito. La celda electroquímica se completa con el llamado contraelectrodo, el electrodo Cont, que equilibra la reacción en el electrodo sensor. La corriente iónica entre el electrodo Cont y el electrodo Sen es transportada por el electrolito dentro del cuerpo del sensor, mientras que la ruta de la corriente se proporciona a través de un cable terminado en un conector de clavija. Los sensores electroquímicos suelen incluir un tercer electrodo (sensores de 3 electrodos). Para mantener el potencial del electrodo sensor en un valor fijo se utiliza el llamado electrodo de referencia. Para ello y normalmente para el funcionamiento de sensores electroquímicos se necesita un circuito de potencial constante.

Ⅱ. Componentes de un sensor electroquímico

El sensor electroquímico consta de los siguientes cuatro componentes clave:

1. Membranas transpirables (también conocidas como membranas hidrofóbicas): estas membranas sirven para cubrir los electrodos sensores (catalíticos) y, en ciertos casos, regulan el peso molecular de los gases que llegan a la superficie del electrodo. Normalmente, estas membranas se fabrican a partir de películas de teflón con baja porosidad. Cuando estas membranas se emplean para cubrir los electrodos, los sensores se denominan sensores recubiertos. Alternativamente, se puede utilizar una película de teflón de alta porosidad, junto con un capilar, para controlar el peso molecular del gas que llega a la superficie del electrodo. Esta configuración se conoce como sensor de tipo capilar. Además de proporcionar protección mecánica al sensor, la película también funciona como filtro, eliminando partículas no deseadas. Para garantizar que se permita el paso del peso molecular adecuado del gas, es fundamental seleccionar el tamaño de apertura adecuado tanto para la membrana como para el capilar. El tamaño de la abertura debe permitir que suficientes moléculas de gas lleguen al electrodo sensor y al mismo tiempo evitar fugas o el secado rápido del electrolito líquido.

2. Electrodo: Es fundamental seleccionar cuidadosamente el material del electrodo. El material debe ser catalítico, capaz de realizar una reacción semielectrolítica durante un período prolongado. Por lo general, los electrodos están fabricados con metales preciosos, como platino u oro, que reaccionan eficientemente con las moléculas de gas mediante catálisis. Dependiendo del diseño del sensor, los tres electrodos pueden construirse con diferentes materiales para facilitar la reacción de electrólisis.

3. Electrolito: El electrolito debe ser capaz de facilitar reacciones electrolíticas y transducir eficientemente carga iónica al electrodo. También debe formar un potencial de referencia estable con el electrodo de referencia y ser compatible con los materiales utilizados dentro del sensor. Además, la rápida evaporación del electrolito puede provocar un debilitamiento de la señal del sensor, comprometiendo potencialmente su precisión y fiabilidad.

4. Filtros: Ocasionalmente, se colocan filtros depuradores frente al sensor para eliminar gases no deseados. La selección de filtros es limitada y cada tipo muestra un nivel distinto de eficiencia. El carbón activado es el material filtrante más utilizado y filtra eficazmente la mayoría de los productos químicos, excepto el monóxido de carbono. Al seleccionar cuidadosamente el medio filtrante adecuado, los sensores electroquímicos logran una mayor selectividad hacia los gases previstos.

Ⅲ. Clasificación del sensor electroquímico

Hay muchas formas de clasificar los sensores electroquímicos. Dependiendo de sus diferentes señales de salida, se pueden dividir en sensores potenciométricos, sensores amperométricos y sensores conductimétricos.

Según las sustancias detectadas por los sensores electroquímicos, los sensores electroquímicos se pueden clasificar principalmente en sensores de iones, sensores de gases y biosensores.

Ⅳ. Principales propiedades y factores que influyen.

1. Sensibilidad

Los principales factores que afectan la sensibilidad incluyen: actividad del catalizador, entrada de aire, conductividad del electrolito y temperatura ambiente.

2. Recuperación de respuesta

Los principales factores que afectan la velocidad de recuperación de la respuesta son la actividad del catalizador, la conductividad del electrolito, la estructura de la cámara de gas, las propiedades del gas, etc.

3. Selectividad/Interferencia cruzada

Los principales factores que afectan la selectividad incluyen el tipo de catalizador, electrolito, voltaje de polarización, filtro, etc.

4. Repetibilidad/estabilidad a largo plazo

Los factores que afectan la repetibilidad incluyen: estabilidad de la estructura del electrodo, estabilidad del electrolito, estabilidad del circuito de gas, etc.

5 、 Rendimiento a altas y bajas temperaturas

Los factores que afectan la estabilidad a altas y bajas temperaturas incluyen: actividad del catalizador, estabilidad de la estructura del electrodo y características del gas.

V. Cuatro aplicaciones principales de los sensores electroquímicos

Los sensores electroquímicos se utilizan ampliamente en áreas industriales y civiles de detección de gases, pueden detectar ozono, formaldehído, monóxido de carbono, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, oxígeno y otros gases, comúnmente utilizados en instrumentación portátil e instrumentación de monitoreo de gas en línea.

1. Sensor de humedad

La humedad es un indicador importante del ambiente del aire, la humedad del aire y el cuerpo humano tiene una estrecha relación entre el calor de evaporación, la alta temperatura y la alta humedad, debido a las dificultades de evaporación del agua del cuerpo humano y la sensación de congestión, baja temperatura y alta humedad, el proceso de disipación de calor del cuerpo humano es intenso, fácil de causar resfriados y congelación. La temperatura más adecuada para el cuerpo humano es de 18 a 22 ℃, la humedad relativa es de 35 a 65 % de humedad relativa. En el monitoreo del medio ambiente y la salud, se usa comúnmente en termohigrómetros de bulbo húmedo, higrómetros de manivela e higrómetros de ventilación y otros instrumentos para determinar la humedad del aire.

En los últimos años, una gran cantidad de literatura informa sobre el uso de sensores para determinar la humedad del aire. Los cristales de cuarzo piezoeléctricos recubiertos utilizados para la determinación de la humedad relativa se convierten en pequeños cristales piezoeléctricos de cuarzo mediante fotolitografía y técnicas de grabado químico, y se recubren cuatro sustancias sobre los cristales de cuarzo de 10 MHz de corte AT, que tienen una alta sensibilidad de masa a la humedad. El cristal es un resonador en un circuito oscilante cuya frecuencia varía con la masa y, seleccionando el recubrimiento adecuado, el sensor se puede utilizar para determinar la humedad relativa de diferentes gases. La sensibilidad, la linealidad de la respuesta, el tiempo de respuesta, la selectividad, la histéresis y la vida útil del sensor dependen de la naturaleza de los productos químicos del recubrimiento.

2 、 sensor de óxido de nitrógeno

El óxido de nitrógeno es una variedad de óxidos de nitrógeno compuestos de una mezcla de gases, a menudo expresados ​​como NOX. En el óxido de nitrógeno, la estabilidad química de las diferentes formas de óxido de nitrógeno es diferente, el aire a menudo se divide en propiedades químicas relativamente estables de monóxido de nitrógeno y dióxido de nitrógeno, su importancia en la higiene parece ser más importante que otras formas de óxido de nitrógeno.

En el análisis medioambiental, el óxido de nitrógeno generalmente se refiere al dióxido de nitrógeno. El método estándar de China para monitorear los óxidos de nitrógeno es el método colorimétrico del clorhidrato de naftaleno etilendiamina, la sensibilidad del método es de 0.25 ug/5 ml, el método de coeficiente de conversión se ve afectado por la composición de la solución absorbente, la concentración de dióxido de nitrógeno y la velocidad. de recogida de gas, la estructura del tubo absorbente, la coexistencia de iones y temperatura y muchos otros factores, no completamente unificados. La determinación por sensor es un nuevo método desarrollado en los últimos años.

3 、 Sensor de gas de sulfuro de hidrógeno

El sulfuro de hidrógeno es un gas combustible incoloro con un olor especial a huevo podrido, irritante, asfixiante y nocivo para el cuerpo humano. La mayoría de los métodos utilizan calorimetría y cromatografía de gases para determinar el sulfuro de hidrógeno en el aire. La determinación de contaminantes atmosféricos cuyo contenido suele ser tan bajo como el nivel de mg/m3 es una de las principales aplicaciones de los sensores de gas, pero los sensores de gas semiconductores no son capaces de cumplir los requisitos de sensibilidad y selectividad para monitorear ciertos gases contaminantes en un corto período de tiempo. de tiempo.

El conjunto de sensores de película fina dopado con plata consta de cuatro sensores que registran simultáneamente las concentraciones de dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno mediante un analizador universal basado en la titulación culombimétrica y las señales del conjunto de sensores de gas semiconductor. La práctica ha demostrado que los sensores de película fina dopados con plata utilizados a 150 °C y a temperatura constante son eficaces para controlar el contenido de sulfuro de hidrógeno en el aire urbano.

4. Sensor de dióxido de azufre

El dióxido de azufre es una de las principales sustancias que contaminan el aire y la detección de dióxido de azufre en el aire es una parte habitual de las pruebas del aire. La aplicación de sensores en el monitoreo de dióxido de azufre ha demostrado una gran superioridad, desde acortar el tiempo de detección hasta reducir el límite de detección. Los polímeros sólidos se utilizan como membranas de intercambio iónico, con un lado de la membrana que contiene electrolitos internos para los electrodos contador y de referencia, y un electrodo de platino insertado en el otro lado para formar el sensor de dióxido de azufre. El sensor está montado en una celda de flujo y oxida dióxido de azufre a un voltaje de 0.65 V. A continuación se indica el contenido de dióxido de azufre. El dispositivo sensor exhibe una alta sensibilidad a la corriente, un tiempo de respuesta corto, buena estabilidad, bajo ruido de fondo, un rango lineal de 0.2 mmol/L, un límite de detección de 8*10-6 mmol/L y una relación señal-ruido. de 3.

El sensor no solo puede detectar dióxido de azufre en el aire, sino que también puede usarse para detectar dióxido de azufre en líquidos de baja conductividad. El recubrimiento sensible al gas del sensor de gas de dióxido de azufre de película delgada de silicato modificado orgánicamente se fabricó utilizando un proceso sol-gel y tecnología de giro. Este recubrimiento exhibe una excelente reproducibilidad y reversibilidad en la determinación de dióxido de azufre, con un rápido tiempo de respuesta de menos de 20 segundos. Además, demuestra una interacción mínima con otros gases y se ve mínimamente influenciado por cambios de temperatura y humedad.