इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के बारे में आप क्या जानते हैं? भारत

विद्युत-रासायनिक सेंसर एक प्रकार का सेंसर है जो संवेदन और पता लगाने के लिए रासायनिक मात्रा को विद्युत मात्रा में परिवर्तित करने के लिए विश्लेषक के विद्युत-रासायनिक गुणों पर निर्भर करता है।

सबसे पुराने इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर 1950 के दशक के हैं, जब उनका इस्तेमाल ऑक्सीजन की निगरानी के लिए किया जाता था। और 1980 के दशक में, जब उनका इस्तेमाल जहरीली गैसों की एक विस्तृत श्रृंखला की निगरानी के लिए किया गया और उन्होंने अच्छी संवेदनशीलता और चयनात्मकता दिखाई।

1. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर का कार्य सिद्धांत

 इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर मापी जा रही गैस के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करके और गैस की सांद्रता के अनुपात में विद्युत संकेत उत्पन्न करके काम करते हैं। अधिकांश इलेक्ट्रोकेमिकल गैस सेंसर ऐसी धारा उत्पन्न करते हैं जो गैस की सांद्रता के समानुपातिक होती है।

 इलेक्ट्रोकेमिकल गैस सेंसर इस प्रकार काम करता है: सेंसर के संपर्क में आने वाले लक्षित गैस अणु पहले एक डायाफ्राम से गुजरते हैं जो संघनन को रोकता है और धूल अवरोधक के रूप में भी कार्य करता है। फिर गैस के अणु एक केशिका ट्यूब के माध्यम से, संभवतः एक बाद के फिल्टर के माध्यम से, और फिर एक हाइड्रोफोबिक झिल्ली के माध्यम से सेंसिंग इलेक्ट्रोड की सतह पर फैल जाते हैं। वहां अणु तुरंत ऑक्सीकृत या कम हो जाते हैं, इस प्रकार इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न या उपभोग करते हैं जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है।

 यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि इस तरह से सेंसर में प्रवेश करने वाले गैस अणुओं की मात्रा केशिका के माध्यम से प्रसार द्वारा सीमित होती है। पथ को अनुकूलित करके, वांछित माप सीमा के अनुसार एक उपयुक्त विद्युत संकेत प्राप्त किया जाता है। लक्ष्य गैस के लिए उच्च प्रतिक्रियाशीलता प्राप्त करने और हस्तक्षेप करने वाली गैसों के लिए अवांछित प्रतिक्रियाओं को दबाने के लिए सेंसिंग इलेक्ट्रोड का डिज़ाइन आवश्यक है। इसमें ठोस, तरल और गैसों के लिए तीन-चरण प्रणाली शामिल है, और सभी में विश्लेषित गैस की रासायनिक पहचान शामिल है। इलेक्ट्रोकेमिकल सेल तथाकथित काउंटर इलेक्ट्रोड, कॉन्ट इलेक्ट्रोड द्वारा पूरा किया जाता है, जो सेंसिंग इलेक्ट्रोड पर प्रतिक्रिया को संतुलित करता है। कॉन्ट इलेक्ट्रोड और सेन इलेक्ट्रोड के बीच आयनिक करंट को सेंसर बॉडी के भीतर इलेक्ट्रोलाइट द्वारा ले जाया जाता है, जबकि करंट पथ एक पिन कनेक्टर द्वारा समाप्त तार के माध्यम से प्रदान किया जाता है। एक तीसरा इलेक्ट्रोड आमतौर पर इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर (3-इलेक्ट्रोड सेंसर) में शामिल होता है। एक तथाकथित संदर्भ इलेक्ट्रोड का उपयोग सेंसिंग इलेक्ट्रोड की क्षमता को एक निश्चित मूल्य पर बनाए रखने के लिए किया जाता है। इस प्रयोजन के लिए और आमतौर पर विद्युत-रासायनिक सेंसरों के संचालन के लिए, एक स्थिर विभव सर्किट की आवश्यकता होती है।

Ⅱ. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के घटक

विद्युत-रासायनिक सेंसर में निम्नलिखित चार प्रमुख घटक शामिल हैं:

1. सांस लेने योग्य झिल्ली (जिसे हाइड्रोफोबिक झिल्ली के रूप में भी जाना जाता है): ये झिल्ली संवेदन (उत्प्रेरक) इलेक्ट्रोड को कवर करने का काम करती हैं और कुछ मामलों में, इलेक्ट्रोड की सतह तक पहुँचने वाली गैसों के आणविक भार को नियंत्रित करती हैं। आम तौर पर, ये झिल्ली कम छिद्र वाली टेफ्लॉन फिल्मों से बनाई जाती हैं। जब इन झिल्लियों को इलेक्ट्रोड को कवर करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है, तो सेंसर को लेपित सेंसर कहा जाता है। वैकल्पिक रूप से, इलेक्ट्रोड की सतह तक पहुँचने वाली गैस के आणविक भार को नियंत्रित करने के लिए एक केशिका के साथ एक उच्च छिद्र वाली टेफ्लॉन फिल्म का उपयोग किया जा सकता है। इस विन्यास को केशिका प्रकार के सेंसर के रूप में जाना जाता है। सेंसर के लिए यांत्रिक सुरक्षा प्रदान करने के अलावा, फिल्म अवांछित कणों को खत्म करने के लिए एक फिल्टर के रूप में भी काम करती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि गैस के उचित आणविक भार को गुजरने की अनुमति है, झिल्ली और केशिका दोनों के लिए उपयुक्त एपर्चर आकार का चयन करना महत्वपूर्ण है। एपर्चर आकार को पर्याप्त गैस अणुओं को संवेदन इलेक्ट्रोड तक पहुँचने की अनुमति देनी चाहिए जबकि तरल इलेक्ट्रोलाइट के रिसाव या तेजी से सूखने को रोकना चाहिए।

2. इलेक्ट्रोड: इलेक्ट्रोड सामग्री का सावधानीपूर्वक चयन करना महत्वपूर्ण है। सामग्री उत्प्रेरक होनी चाहिए, जो लंबे समय तक अर्ध-इलेक्ट्रोलाइटिक प्रतिक्रिया करने में सक्षम हो। आम तौर पर, इलेक्ट्रोड प्लैटिनम या सोने जैसी कीमती धातुओं से तैयार किए जाते हैं, जो उत्प्रेरक के माध्यम से गैस अणुओं के साथ कुशलता से प्रतिक्रिया करते हैं। सेंसर के डिजाइन के आधार पर, इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया को सुविधाजनक बनाने के लिए तीन इलेक्ट्रोड अलग-अलग सामग्रियों से बनाए जा सकते हैं।

3. इलेक्ट्रोलाइट: इलेक्ट्रोलाइट को इलेक्ट्रोलाइटिक प्रतिक्रियाओं को सुविधाजनक बनाने और इलेक्ट्रोड को आयनिक चार्ज को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने में सक्षम होना चाहिए। इसे संदर्भ इलेक्ट्रोड के साथ एक स्थिर संदर्भ क्षमता भी बनानी चाहिए और सेंसर के भीतर उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के साथ संगत होना चाहिए। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइट के तेजी से वाष्पीकरण से सेंसर सिग्नल कमजोर हो सकता है, जिससे संभावित रूप से इसकी सटीकता और विश्वसनीयता से समझौता हो सकता है।

4. फ़िल्टर: कभी-कभी, अवांछित गैसों को खत्म करने के लिए सेंसर के सामने स्क्रबर फ़िल्टर लगाए जाते हैं। फ़िल्टर का चयन सीमित है, प्रत्येक प्रकार दक्षता का एक अलग स्तर प्रदर्शित करता है। सक्रिय कार्बन सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली फ़िल्टर सामग्री के रूप में खड़ा है, जो कार्बन मोनोऑक्साइड को छोड़कर अधिकांश रसायनों को प्रभावी ढंग से फ़िल्टर करता है। उचित फ़िल्टर मीडिया का सावधानीपूर्वक चयन करके, इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर अपनी इच्छित गैसों के प्रति एक बढ़ी हुई चयनात्मकता प्राप्त करते हैं।

Ⅲ. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर का वर्गीकरण

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर को वर्गीकृत करने के कई तरीके हैं। उनके अलग-अलग आउटपुट सिग्नल के आधार पर, उन्हें पोटेंशियोमेट्रिक सेंसर, एम्पेरोमेट्रिक सेंसर और कंडक्टोमेट्रिक सेंसर में विभाजित किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर द्वारा पता लगाए गए पदार्थों के अनुसार, इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर को मुख्य रूप से आयन सेंसर, गैस सेंसर और बायोसेंसर में वर्गीकृत किया जा सकता है।

Ⅳ. मुख्य गुण और प्रभावित करने वाले कारक

1. संवेदनशीलता

संवेदनशीलता को प्रभावित करने वाले मुख्य कारकों में शामिल हैं: उत्प्रेरक गतिविधि, वायु अंतर्ग्रहण, इलेक्ट्रोलाइट चालकता और परिवेश का तापमान।

2. प्रतिक्रिया पुनर्प्राप्ति

प्रतिक्रिया पुनर्प्राप्ति गति को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक उत्प्रेरक गतिविधि, इलेक्ट्रोलाइट चालकता, गैस कक्ष संरचना, गैस गुण आदि हैं।

3. चयनात्मकता/पार-हस्तक्षेप

चयनात्मकता को प्रभावित करने वाले मुख्य कारकों में उत्प्रेरक का प्रकार, इलेक्ट्रोलाइट, बायस वोल्टेज, फिल्टर आदि शामिल हैं।

4. पुनरावृत्ति/दीर्घकालिक स्थिरता

पुनरावृत्ति को प्रभावित करने वाले कारकों में शामिल हैं: इलेक्ट्रोड संरचना स्थिरता, इलेक्ट्रोलाइट स्थिरता, गैस सर्किट स्थिरता, आदि।

5、उच्च और निम्न तापमान प्रदर्शन

उच्च और निम्न तापमान स्थिरता को प्रभावित करने वाले कारकों में शामिल हैं: उत्प्रेरक गतिविधि, इलेक्ट्रोड संरचना स्थिरता और गैस विशेषताएं।

V. इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के चार प्रमुख अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर का व्यापक रूप से गैस का पता लगाने के औद्योगिक और नागरिक क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है, ओजोन, फॉर्मलाडेहाइड, कार्बन मोनोऑक्साइड, अमोनिया, हाइड्रोजन सल्फाइड, सल्फर डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड, ऑक्सीजन और अन्य गैसों का पता लगा सकता है, आमतौर पर पोर्टेबल इंस्ट्रूमेंटेशन और गैस ऑनलाइन निगरानी इंस्ट्रूमेंटेशन में उपयोग किया जाता है।

1. आर्द्रता सेंसर

आर्द्रता वायु पर्यावरण का एक महत्वपूर्ण संकेतक है, हवा की आर्द्रता और मानव शरीर का वाष्पीकरण की गर्मी, उच्च तापमान और उच्च आर्द्रता के बीच घनिष्ठ संबंध है, मानव शरीर के पानी के वाष्पीकरण की कठिनाइयों और घुटन महसूस करने के कारण, कम तापमान और उच्च आर्द्रता, मानव शरीर की गर्मी अपव्यय प्रक्रिया तीव्र है, सर्दी और शीतदंश का कारण बनना आसान है। मानव शरीर के लिए सबसे उपयुक्त तापमान 18 ~ 22 ℃ है, सापेक्ष आर्द्रता 35% ~ 65% आरएच है। पर्यावरण और स्वास्थ्य निगरानी में, इसका उपयोग आमतौर पर गीले बल्ब थर्मो-हाइग्रोमीटर, हाथ से क्रैंक किए गए हाइग्रोमीटर और वेंटिलेशन हाइग्रोमीटर और अन्य उपकरणों में हवा की आर्द्रता निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

हाल के वर्षों में, हवा की नमी निर्धारित करने के लिए सेंसर के उपयोग पर बड़ी संख्या में साहित्य रिपोर्टें हैं। सापेक्ष आर्द्रता के निर्धारण के लिए उपयोग किए जाने वाले लेपित पीजोइलेक्ट्रिक क्वार्ट्ज क्रिस्टल को फोटोलिथोग्राफी और रासायनिक नक़्क़ाशी तकनीकों द्वारा छोटे क्वार्ट्ज पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल में बनाया जाता है, और एटी-कट 10 मेगाहर्ट्ज क्वार्ट्ज क्रिस्टल पर चार पदार्थों को लेपित किया जाता है, जिनमें आर्द्रता के लिए उच्च द्रव्यमान संवेदनशीलता होती है। क्रिस्टल एक दोलन सर्किट में एक अनुनादक है जिसकी आवृत्ति द्रव्यमान के साथ बदलती रहती है, और उपयुक्त कोटिंग का चयन करके, सेंसर का उपयोग विभिन्न गैसों की सापेक्ष आर्द्रता निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। सेंसर की संवेदनशीलता, प्रतिक्रिया रैखिकता, प्रतिक्रिया समय, चयनात्मकता, हिस्टैरिसीस और जीवनकाल कोटिंग रसायनों की प्रकृति पर निर्भर करता है।

2、नाइट्रोजन ऑक्साइड सेंसर

नाइट्रोजन ऑक्साइड नाइट्रोजन के ऑक्साइड की एक किस्म है जो गैसों के मिश्रण से बना है, जिसे अक्सर NOX के रूप में व्यक्त किया जाता है। नाइट्रोजन ऑक्साइड में, नाइट्रोजन ऑक्साइड के विभिन्न रूपों में रासायनिक स्थिरता अलग-अलग होती है, हवा को अक्सर नाइट्रोजन मोनोऑक्साइड और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड के अपेक्षाकृत स्थिर रासायनिक गुणों में विभाजित किया जाता है, स्वच्छता में उनका महत्व नाइट्रोजन ऑक्साइड के अन्य रूपों की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण प्रतीत होता है।

पर्यावरण विश्लेषण में, नाइट्रोजन ऑक्साइड आम तौर पर नाइट्रोजन डाइऑक्साइड को संदर्भित करता है। नाइट्रोजन ऑक्साइड की निगरानी के लिए चीन की मानक विधि नेफ़थलीन एथिलीनडायमाइन हाइड्रोक्लोराइड की रंगमिति विधि है, विधि की संवेदनशीलता 0.25ug/5ml है, रूपांतरण गुणांक की विधि शोषक समाधान की संरचना, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड की सांद्रता, गैस संग्रह की गति, अवशोषक ट्यूब की संरचना, आयनों और तापमान के सह-अस्तित्व और कई अन्य कारकों से प्रभावित होती है, पूरी तरह से एकीकृत नहीं है। सेंसर निर्धारण हाल के वर्षों में विकसित एक नई विधि है।

3、हाइड्रोजन सल्फाइड गैस सेंसर

हाइड्रोजन सल्फाइड एक रंगहीन, दहनशील गैस है जिसमें सड़े हुए अंडे जैसी विशेष गंध होती है, जो जलन पैदा करने वाली और दम घोंटने वाली होती है, और मानव शरीर के लिए हानिकारक होती है। अधिकांश विधियाँ हवा में हाइड्रोजन सल्फाइड का पता लगाने के लिए कैलोरीमेट्री और गैस क्रोमैटोग्राफी का उपयोग करती हैं। वायु प्रदूषकों का निर्धारण जिनकी सामग्री अक्सर mg/m3 स्तर जितनी कम होती है, गैस सेंसर के मुख्य अनुप्रयोगों में से एक है, लेकिन अर्धचालक गैस सेंसर कम समय में कुछ प्रदूषक गैसों की निगरानी के लिए संवेदनशीलता और चयनात्मकता आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम नहीं हैं।

सिल्वर-डोप्ड थिन-फिल्म सेंसर सरणी में चार सेंसर होते हैं जो एक साथ कोलोमेट्रिक टाइट्रेशन पर आधारित एक सार्वभौमिक विश्लेषक और सेमीकंडक्टर गैस सेंसर सरणी से संकेतों का उपयोग करके सल्फर डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन सल्फाइड की सांद्रता को रिकॉर्ड करते हैं। अभ्यास से पता चला है कि 150 डिग्री सेल्सियस पर स्थिर तापमान तरीके से उपयोग किए जाने वाले सिल्वर-डोप्ड थिन-फिल्म सेंसर शहरी हवा में हाइड्रोजन सल्फाइड सामग्री की निगरानी के लिए प्रभावी हैं।

4. सल्फर डाइऑक्साइड सेंसर

सल्फर डाइऑक्साइड वायु को प्रदूषित करने वाले मुख्य पदार्थों में से एक है, और वायु में सल्फर डाइऑक्साइड का पता लगाना वायु परीक्षण का एक नियमित हिस्सा है। सल्फर डाइऑक्साइड की निगरानी में सेंसर के उपयोग ने पता लगाने के समय को कम करने से लेकर पता लगाने की सीमा को कम करने तक, बहुत श्रेष्ठता दिखाई है। ठोस पॉलिमर का उपयोग आयन एक्सचेंज झिल्ली के रूप में किया जाता है, जिसमें झिल्ली के एक तरफ काउंटर और संदर्भ इलेक्ट्रोड के लिए आंतरिक इलेक्ट्रोलाइट्स होते हैं, और दूसरी तरफ सल्फर डाइऑक्साइड सेंसर बनाने के लिए एक प्लैटिनम इलेक्ट्रोड डाला जाता है। सेंसर को एक फ्लो सेल में लगाया जाता है और 0.65V के वोल्टेज पर सल्फर डाइऑक्साइड को ऑक्सीकृत करता है। फिर सल्फर डाइऑक्साइड की मात्रा का संकेत दिया जाता है। सेंसिंग डिवाइस उच्च वर्तमान संवेदनशीलता, एक छोटा प्रतिक्रिया समय, अच्छी स्थिरता, कम पृष्ठभूमि शोर, 0.2 mmol/L की एक रैखिक सीमा, 8*10-6 mmol/L की एक पहचान सीमा और 3 का सिग्नल-टू-शोर अनुपात प्रदर्शित करता है।

सेंसर न केवल हवा में सल्फर डाइऑक्साइड का पता लगा सकता है, बल्कि कम चालकता वाले तरल में सल्फर डाइऑक्साइड का पता लगाने के लिए भी इस्तेमाल किया जा सकता है। कार्बनिक रूप से संशोधित सिलिकेट पतली फिल्म सल्फर डाइऑक्साइड गैस सेंसर की गैस-संवेदनशील कोटिंग सोल-जेल प्रक्रिया और स्पिन तकनीक का उपयोग करके बनाई गई थी। यह कोटिंग 20 सेकंड से भी कम समय के तेज प्रतिक्रिया समय के साथ सल्फर डाइऑक्साइड निर्धारण में उत्कृष्ट पुनरुत्पादन और प्रतिवर्तीता प्रदर्शित करती है। इसके अतिरिक्त, यह अन्य गैसों के साथ न्यूनतम संपर्क प्रदर्शित करता है और तापमान और आर्द्रता में परिवर्तन से न्यूनतम रूप से प्रभावित होता है।