درباره سنسورهای الکتروشیمیایی چه می دانید؟

سنسور الکتروشیمیایی نوعی حسگر است که بر روی خواص الکتروشیمیایی آنالیت تکیه دارد تا کمیت شیمیایی را به کمیت الکتریکی برای سنجش و تشخیص تبدیل کند.

اولین سنسورهای الکتروشیمیایی به دهه 1950 باز می گردد، زمانی که برای نظارت بر اکسیژن استفاده می شد. و تا دهه 1980، زمانی که آنها برای نظارت بر طیف گسترده ای از گازهای سمی مورد استفاده قرار گرفتند و حساسیت و گزینش پذیری خوبی از خود نشان دادند.

Ⅰ. اصل کار سنسور الکتروشیمیایی

 حسگرهای الکتروشیمیایی با واکنش شیمیایی با گاز اندازه‌گیری شده و تولید سیگنال الکتریکی متناسب با غلظت گاز کار می‌کنند. اکثر حسگرهای گاز الکتروشیمیایی جریانی تولید می کنند که به طور خطی با غلظت گاز متناسب است.

 یک حسگر گاز الکتروشیمیایی به شرح زیر عمل می کند: مولکول های گاز هدف در تماس با سنسور ابتدا از یک دیافراگم عبور می کنند که از تراکم جلوگیری می کند و همچنین به عنوان یک مانع گرد و غبار عمل می کند. سپس مولکول‌های گاز از طریق یک لوله مویین، احتمالاً از طریق فیلتر بعدی، و سپس از طریق یک غشای آبگریز به سطح الکترود حسگر پخش می‌شوند. در آنجا مولکول‌ها بلافاصله اکسید یا احیا می‌شوند، بنابراین الکترون تولید یا مصرف می‌شود و جریان الکتریکی تولید می‌شود.

 توجه به این نکته ضروری است که مقدار مولکول های گازی که از این طریق وارد حسگر می شوند با انتشار از طریق مویرگ محدود می شود. با بهینه سازی مسیر، سیگنال الکتریکی مناسب با توجه به محدوده اندازه گیری مورد نظر به دست می آید. طراحی الکترود حسگر برای دستیابی به پاسخ دهی بالا به گاز هدف و سرکوب پاسخ های نامطلوب به گازهای مزاحم ضروری است. این شامل یک سیستم سه مرحله ای برای جامدات، مایعات و گازها است و همه شامل شناسایی شیمیایی گاز آنالیت است. سلول الکتروشیمیایی توسط به اصطلاح الکترود ضد، الکترود Cont تکمیل می شود که واکنش را در الکترود حسگر متعادل می کند. جریان یونی بین الکترود Cont و الکترود Sen توسط الکترولیت درون بدنه حسگر منتقل می‌شود، در حالی که مسیر جریان از طریق سیمی که توسط یک اتصال پین به پایان می‌رسد تامین می‌شود. الکترود سوم معمولاً در حسگرهای الکتروشیمیایی (سنسورهای 3 الکترودی) قرار می گیرد. یک الکترود به اصطلاح مرجع برای حفظ پتانسیل الکترود حسگر در یک مقدار ثابت استفاده می شود. برای این منظور و معمولاً برای عملکرد سنسورهای الکتروشیمیایی، مدار پتانسیل ثابت مورد نیاز است.

Ⅱ. اجزای یک حسگر الکتروشیمیایی

سنسور الکتروشیمیایی شامل چهار جزء کلیدی زیر است:

1. غشاهای تنفسی (همچنین به عنوان غشاهای آبگریز شناخته می شوند): این غشاها برای پوشاندن الکترودهای حسگر (کاتالیزوری) عمل می کنند و در موارد خاص وزن مولکولی گازهای رسیدن به سطح الکترود را تنظیم می کنند. به طور معمول، این غشاها از فیلم های تفلون با تخلخل کم ساخته می شوند. هنگامی که از این غشاها برای پوشاندن الکترودها استفاده می شود، سنسورها به عنوان سنسورهای پوشش دار شناخته می شوند. از طرف دیگر، می توان از یک فیلم تفلون با تخلخل بالا، همراه با یک مویرگی، برای کنترل وزن مولکولی گازی که به سطح الکترود می رسد، استفاده کرد. این پیکربندی به عنوان سنسور نوع مویرگی شناخته می شود. این فیلم علاوه بر محافظت مکانیکی برای سنسور، به عنوان یک فیلتر نیز عمل می کند و ذرات ناخواسته را از بین می برد. برای اطمینان از اینکه وزن مولکولی مناسب گاز مجاز است از آن عبور کند، انتخاب اندازه دهانه مناسب برای غشاء و مویرگی بسیار مهم است. اندازه روزنه باید اجازه دهد تا مولکول های گاز کافی به الکترود حسگر برسند و در عین حال از نشت یا خشک شدن سریع الکترولیت مایع جلوگیری شود.

2. الکترود: انتخاب دقیق مواد الکترود بسیار مهم است. این ماده باید کاتالیزوری باشد و قادر به انجام یک واکنش نیمه الکترولیتی در مدت طولانی باشد. به طور معمول، الکترودها از فلزات گرانبها مانند پلاتین یا طلا ساخته می شوند که به طور موثر با مولکول های گاز از طریق کاتالیز واکنش نشان می دهند. بسته به طراحی حسگر، سه الکترود ممکن است از مواد مختلف ساخته شوند تا واکنش الکترولیز را تسهیل کنند.

3. الکترولیت: الکترولیت باید قادر به تسهیل واکنش های الکترولیتی و انتقال موثر بار یونی به الکترود باشد. همچنین باید یک پتانسیل مرجع پایدار با الکترود مرجع تشکیل دهد و با مواد استفاده شده در حسگر سازگار باشد. علاوه بر این، تبخیر سریع الکترولیت می تواند منجر به تضعیف سیگنال سنسور شود و به طور بالقوه دقت و قابلیت اطمینان آن را به خطر بیندازد.

4. فیلترها: گاهی اوقات، فیلترهای اسکرابر در جلوی سنسور قرار می گیرند تا گازهای نامطلوب را از بین ببرند. انتخاب فیلترها محدود است و هر نوع دارای سطح کارایی مشخصی است. کربن فعال به عنوان پرکاربردترین ماده فیلتر است که به طور موثر اکثر مواد شیمیایی را به استثنای مونوکسید کربن فیلتر می کند. با انتخاب دقیق رسانه فیلتر مناسب، حسگرهای الکتروشیمیایی به گزینش پذیری بیشتری نسبت به گازهای مورد نظر خود دست می یابند.

Ⅲ. طبقه بندی سنسورهای الکتروشیمیایی

روش های زیادی برای طبقه بندی حسگرهای الکتروشیمیایی وجود دارد. بسته به سیگنال‌های خروجی متفاوت، می‌توان آنها را به حسگرهای پتانسیومتری، سنسورهای آمپرومتریک و سنسورهای هدایت سنجی تقسیم کرد.

با توجه به مواد شناسایی شده توسط حسگرهای الکتروشیمیایی، سنسورهای الکتروشیمیایی را می توان به طور عمده به حسگرهای یونی، حسگرهای گاز و حسگرهای زیستی طبقه بندی کرد.

Ⅳ. ویژگی های اصلی و عوامل تأثیرگذار

1. حساسیت

عوامل اصلی موثر بر حساسیت عبارتند از: فعالیت کاتالیزور، ورودی هوا، هدایت الکترولیت و دمای محیط.

2. بازیابی پاسخ

عوامل اصلی موثر بر سرعت بازیابی پاسخ عبارتند از: فعالیت کاتالیزور، هدایت الکترولیت، ساختار محفظه گاز، خواص گاز و غیره.

3. گزینش پذیری/تداخل متقابل

عوامل اصلی که بر گزینش پذیری تأثیر می گذارند عبارتند از: نوع کاتالیزور، الکترولیت، ولتاژ بایاس، فیلتر و غیره.

4. تکرارپذیری/پایداری طولانی مدت

عوامل موثر بر تکرارپذیری عبارتند از: پایداری ساختار الکترود، پایداری الکترولیت، پایداری مدار گاز و غیره.

5، عملکرد دمای بالا و پایین

عوامل موثر بر پایداری دمای بالا و پایین عبارتند از: فعالیت کاتالیزور، پایداری ساختار الکترود و ویژگی های گاز.

V. چهار کاربرد عمده حسگرهای الکتروشیمیایی

سنسورهای الکتروشیمیایی به طور گسترده در مناطق صنعتی و غیرنظامی تشخیص گاز مورد استفاده قرار می گیرند، می توانند ازن، فرمالدئید، مونوکسید کربن، آمونیاک، سولفید هیدروژن، دی اکسید گوگرد، دی اکسید نیتروژن، اکسیژن و سایر گازها را شناسایی کنند که معمولا در ابزار دقیق قابل حمل و ابزار نظارت آنلاین گاز استفاده می شود.

1. سنسور رطوبت

رطوبت یک شاخص مهم از محیط هوا است، رطوبت هوا و بدن انسان رابطه نزدیکی بین گرمای تبخیر، دمای بالا و رطوبت بالا دارد، به دلیل مشکلات تبخیر آب بدن انسان و احساس گرفتگی، دمای پایین و رطوبت بالا، فرآیند اتلاف حرارت بدن انسان شدید است، به راحتی باعث سرماخوردگی و سرمازدگی می شود. مناسب ترین دما برای بدن انسان 18 ~ 22 ℃، رطوبت نسبی 35٪ ~ 65٪ RH است. در نظارت بر محیط زیست و بهداشت، معمولاً در دماسنج لامپ مرطوب، رطوبت سنج دستی و رطوبت سنج تهویه و سایر ابزارها برای تعیین رطوبت هوا استفاده می شود.

در سال‌های اخیر، تعداد زیادی از مقالات در مورد استفاده از حسگرها برای تعیین رطوبت هوا گزارش شده‌اند. کریستال های کوارتز پیزوالکتریک پوشش داده شده برای تعیین رطوبت نسبی به کریستال های پیزوالکتریک کوارتز کوچک با تکنیک های فوتولیتوگرافی و اچ شیمیایی تبدیل می شوند و چهار ماده بر روی کریستال های کوارتز 10 مگاهرتز AT-cut پوشانده می شوند که حساسیت جرمی بالایی به هومی دارند. کریستال یک تشدید کننده در مدار نوسانی است که فرکانس آن با جرم متفاوت است و با انتخاب پوشش مناسب می توان از سنسور برای تعیین رطوبت نسبی گازهای مختلف استفاده کرد. حساسیت، خطی بودن پاسخ، زمان پاسخ، گزینش پذیری، هیسترزیس و طول عمر سنسور به ماهیت مواد شیمیایی پوشش بستگی دارد.

2- سنسور اکسید نیتروژن

اکسید نیتروژن نوعی اکسید نیتروژن است که از مخلوطی از گازها تشکیل شده است که اغلب به صورت NOX بیان می شود. در اکسید نیتروژن، اشکال مختلف پایداری شیمیایی اکسید نیتروژن متفاوت است، هوا اغلب به خواص شیمیایی نسبتاً پایدار مونوکسید نیتروژن و دی اکسید نیتروژن تقسیم می شود، اهمیت آنها در بهداشت به نظر می رسد مهمتر از سایر اشکال اکسید نیتروژن باشد.

در تجزیه و تحلیل محیطی، اکسید نیتروژن به طور کلی به دی اکسید نیتروژن اطلاق می شود. روش استاندارد چین برای نظارت بر اکسیدهای نیتروژن روش رنگ سنجی نفتالین اتیلن دی آمین هیدروکلراید است، حساسیت روش 0.25ug/5ml است، روش ضریب تبدیل تحت تاثیر ترکیب محلول جاذب، غلظت دی اکسید نیتروژن، سرعت است. از جمع آوری گاز، ساختار لوله جاذب، همزیستی یون ها و دما و بسیاری عوامل دیگر کاملاً یکپارچه نیستند. تعیین سنسور روش جدیدی است که در سال های اخیر توسعه یافته است.

3- سنسور گاز سولفید هیدروژن

سولفید هیدروژن گازی بی رنگ و قابل احتراق با بوی خاص تخم مرغ فاسد است که تحریک کننده و خفه کننده و برای بدن انسان مضر است. اکثر روش ها از کالریمتری و کروماتوگرافی گازی برای تعیین سولفید هیدروژن در هوا استفاده می کنند. تعیین آلاینده های هوا که محتوای آنها اغلب به اندازه mg/m3 پایین است یکی از کاربردهای اصلی حسگرهای گاز است، اما حسگرهای گاز نیمه هادی قادر به برآوردن الزامات حساسیت و گزینش پذیری برای نظارت بر گازهای آلاینده خاص در مدت زمان کوتاه نیستند. از زمان

آرایه سنسور لایه نازک نقره ای متشکل از چهار حسگر است که به طور همزمان غلظت دی اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن را با استفاده از یک آنالایزر جهانی بر اساس تیتراسیون کولومتریک و سیگنال های آرایه حسگر گاز نیمه هادی ثبت می کنند. تمرین نشان داده است که سنسورهای لایه نازک دوپ شده با نقره که در دمای 150 درجه سانتیگراد به روشی با دمای ثابت استفاده می شوند، برای نظارت بر محتوای سولفید هیدروژن در هوای شهری موثر هستند.

4. سنسور دی اکسید گوگرد

دی اکسید گوگرد یکی از اصلی ترین موادی است که هوا را آلوده می کند و تشخیص دی اکسید گوگرد در هوا بخشی منظم از آزمایش هوا است. استفاده از حسگرها در نظارت بر دی اکسید گوگرد برتری زیادی از کوتاه کردن زمان تشخیص تا کاهش حد تشخیص نشان داده است. پلیمرهای جامد به عنوان غشاهای تبادل یونی مورد استفاده قرار می گیرند که یک طرف غشاء حاوی الکترولیت های داخلی برای الکترودهای شمارنده و مرجع است و یک الکترود پلاتین در سمت دیگر برای تشکیل حسگر دی اکسید گوگرد قرار داده شده است. سنسور در یک سلول جریان نصب شده است و دی اکسید گوگرد را با ولتاژ 0.65 ولت اکسید می کند. سپس محتوای دی اکسید گوگرد نشان داده می شود. دستگاه حسگر دارای حساسیت جریان بالا، زمان پاسخ کوتاه، پایداری خوب، نویز پس زمینه کم، محدوده خطی 0.2 میلی مول در لیتر، محدودیت تشخیص 8*10-6 میلی مول در لیتر و نسبت سیگنال به نویز است. از 3.

این سنسور نه تنها می تواند دی اکسید گوگرد را در هوا تشخیص دهد، بلکه برای تشخیص دی اکسید گوگرد در مایع با رسانایی کم نیز استفاده می شود. پوشش حساس به گاز سنسور گاز دی اکسید گوگرد لایه نازک سیلیکات اصلاح شده آلی با استفاده از فرآیند سل-ژل و فن آوری چرخش ساخته شده است. این پوشش تکرارپذیری و برگشت پذیری عالی در تعیین دی اکسید گوگرد را با زمان پاسخ سریع کمتر از 20 ثانیه نشان می دهد. علاوه بر این، کمترین تعامل را با گازهای دیگر نشان می دهد و حداقل تحت تأثیر تغییرات دما و رطوبت است.