Apa yang Anda ketahui tentang sensor elektrokimia Indonesia

Sensor elektrokimia adalah jenis sensor yang mengandalkan sifat elektrokimia analit untuk mengubah besaran kimia menjadi besaran listrik untuk penginderaan dan deteksi.

Sensor elektrokimia paling awal berasal dari tahun 1950an, ketika digunakan untuk pemantauan oksigen. Dan hingga tahun 1980-an, ketika mereka digunakan untuk memantau berbagai macam gas beracun dan menunjukkan sensitivitas dan selektivitas yang baik.

Ⅰ. Prinsip kerja sensor elektrokimia

 Sensor elektrokimia bekerja dengan cara bereaksi secara kimia dengan gas yang diukur dan menghasilkan sinyal listrik yang sebanding dengan konsentrasi gas. Kebanyakan sensor gas elektrokimia menghasilkan arus yang berbanding lurus dengan konsentrasi gas.

 Sensor gas elektrokimia bekerja sebagai berikut: Molekul gas target yang bersentuhan dengan sensor pertama-tama melewati diafragma yang mencegah kondensasi dan juga bertindak sebagai penghalang debu. Kemudian molekul gas berdifusi melalui tabung kapiler, kemungkinan melalui filter berikutnya, dan kemudian melalui membran hidrofobik ke permukaan elektroda penginderaan. Di sana molekul-molekulnya segera teroksidasi atau tereduksi, sehingga menghasilkan atau memakan elektron sehingga menghasilkan arus listrik.

 Penting untuk diperhatikan bahwa jumlah molekul gas yang masuk ke sensor dengan cara ini dibatasi oleh difusi melalui kapiler. Dengan mengoptimalkan jalur, diperoleh sinyal listrik yang sesuai dengan rentang pengukuran yang diinginkan. Desain elektroda penginderaan sangat penting untuk mencapai respons yang tinggi terhadap gas target dan untuk menekan respons yang tidak diinginkan terhadap gas yang mengganggu. Ini melibatkan sistem tiga tahap untuk padatan, cairan dan gas, dan semuanya melibatkan identifikasi kimia dari gas analit. Sel elektrokimia dilengkapi dengan apa yang disebut elektroda lawan, elektroda Cont, yang menyeimbangkan reaksi pada elektroda penginderaan. Arus ionik antara elektroda Cont dan elektroda Sen diangkut oleh elektrolit di dalam badan sensor, sedangkan jalur arus disediakan melalui kawat yang diakhiri dengan konektor pin. Elektroda ketiga biasanya disertakan dalam sensor elektrokimia (sensor 3 elektroda). Elektroda referensi disebut digunakan untuk mempertahankan potensi elektroda penginderaan pada nilai tetap. Untuk tujuan ini dan biasanya untuk pengoperasian sensor elektrokimia, diperlukan rangkaian potensial konstan.

Ⅱ. Komponen sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia terdiri dari empat komponen utama berikut:

1. Membran bernapas (juga dikenal sebagai membran hidrofobik): Membran ini berfungsi untuk menutupi elektroda penginderaan (katalitik) dan, dalam kasus tertentu, mengatur berat molekul gas yang mencapai permukaan elektroda. Biasanya, membran ini dibuat dari film Teflon dengan porositas rendah. Ketika membran ini digunakan untuk menutupi elektroda, sensor tersebut disebut sebagai sensor berlapis. Sebagai alternatif, film Teflon dengan porositas tinggi dapat digunakan, bersama dengan kapiler, untuk mengontrol berat molekul gas yang mencapai permukaan elektroda. Konfigurasi ini dikenal sebagai sensor tipe kapiler. Selain memberikan perlindungan mekanis pada sensor, film juga berfungsi sebagai filter, menghilangkan partikel yang tidak diinginkan. Untuk memastikan berat molekul gas yang sesuai dapat melewatinya, penting untuk memilih ukuran bukaan yang sesuai untuk membran dan kapiler. Ukuran bukaan harus memungkinkan molekul gas yang cukup untuk mencapai elektroda penginderaan sekaligus mencegah kebocoran atau pengeringan cepat elektrolit cair.

2. Elektroda: Sangat penting untuk memilih bahan elektroda dengan hati-hati. Bahan tersebut harus bersifat katalitik, mampu melakukan reaksi semi-elektrolitik dalam jangka waktu lama. Biasanya, elektroda dibuat dari logam mulia, seperti platinum atau emas, yang bereaksi secara efisien dengan molekul gas melalui katalisis. Tergantung pada desain sensor, ketiga elektroda dapat dibuat dari bahan berbeda untuk memfasilitasi reaksi elektrolisis.

3. Elektrolit: Elektrolit harus mampu memfasilitasi reaksi elektrolitik dan secara efisien mentransduksi muatan ion ke elektroda. Itu juga harus membentuk potensial referensi yang stabil dengan elektroda referensi dan kompatibel dengan bahan yang digunakan dalam sensor. Selain itu, penguapan elektrolit yang cepat dapat menyebabkan melemahnya sinyal sensor, sehingga berpotensi mengurangi keakuratan dan keandalannya.

4. Filter: Kadang-kadang, filter scrubber ditempatkan di depan sensor untuk menghilangkan gas yang tidak diinginkan. Pemilihan filter terbatas, dan masing-masing jenis menunjukkan tingkat efisiensi yang berbeda. Karbon aktif merupakan bahan filter yang paling banyak digunakan, secara efektif menyaring sebagian besar bahan kimia, tidak termasuk karbon monoksida. Dengan memilih media filter yang tepat secara cermat, sensor elektrokimia mencapai selektivitas yang lebih tinggi terhadap gas yang diinginkan.

Ⅲ. Klasifikasi Sensor Elektrokimia

Ada banyak cara untuk mengklasifikasikan sensor elektrokimia. Bergantung pada sinyal keluarannya yang bervariasi, sensor ini dapat dibagi menjadi sensor potensiometri, sensor amperometri, dan sensor konduktometri.

Menurut zat yang dideteksi oleh sensor elektrokimia, sensor elektrokimia dapat diklasifikasikan menjadi sensor ion, sensor gas, dan biosensor.

Ⅳ. Sifat Utama dan Faktor yang Mempengaruhi

1. Sensitivitas

Faktor utama yang mempengaruhi sensitivitas meliputi: aktivitas katalis, asupan udara, konduktivitas elektrolit, dan suhu lingkungan.

2. Pemulihan respons

Faktor utama yang mempengaruhi kecepatan pemulihan respon adalah aktivitas katalis, konduktivitas elektrolit, struktur kamar gas, sifat gas, dll.

3. Selektivitas/interferensi silang

Faktor utama yang mempengaruhi selektivitas meliputi jenis katalis, elektrolit, tegangan bias, filter, dll.

4. Pengulangan/stabilitas jangka panjang

Faktor-faktor yang mempengaruhi kemampuan pengulangan meliputi: stabilitas struktur elektroda, stabilitas elektrolit, stabilitas sirkuit gas, dll.

5、Kinerja suhu tinggi dan rendah

Faktor-faktor yang mempengaruhi kestabilan suhu tinggi dan rendah antara lain: aktivitas katalis, kestabilan struktur elektroda, dan karakteristik gas.

V. Empat aplikasi utama sensor elektrokimia

Sensor elektrokimia banyak digunakan di bidang deteksi gas industri dan sipil, dapat mendeteksi ozon, formaldehida, karbon monoksida, amonia, hidrogen sulfida, sulfur dioksida, nitrogen dioksida, oksigen dan gas lainnya, yang biasa digunakan dalam instrumentasi portabel dan instrumentasi pemantauan online gas.

1. Sensor Kelembaban

Kelembapan merupakan indikator penting lingkungan udara, Kelembapan udara dan tubuh manusia mempunyai hubungan yang erat antara panas penguapan, suhu tinggi dan kelembaban tinggi, karena tubuh manusia kesulitan penguapan air dan terasa pengap, suhu rendah dan kelembaban tinggi, proses pembuangan panas tubuh manusia sangat intens, mudah menyebabkan pilek dan radang dingin. Suhu yang paling cocok untuk tubuh manusia adalah 18~22℃, kelembaban relatif 35%~65% RH. Dalam pemantauan lingkungan dan kesehatan, biasanya digunakan pada termo-higrometer bola basah, higrometer engkol tangan dan higrometer ventilasi serta instrumen lain untuk mengetahui kelembapan udara.

Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah besar literatur melaporkan penggunaan sensor untuk menentukan kelembaban udara. Kristal kuarsa piezoelektrik berlapis yang digunakan untuk penentuan kelembaban relatif dibuat menjadi kristal piezoelektrik kuarsa kecil dengan teknik fotolitografi dan etsa kimia, dan empat zat dilapisi pada kristal kuarsa 10 MHz potong AT, yang memiliki sensitivitas massa tinggi terhadap kelembaban. Kristal adalah resonator dalam rangkaian osilasi yang frekuensinya bervariasi terhadap massa, dan dengan memilih lapisan yang sesuai, sensor dapat digunakan untuk menentukan kelembapan relatif berbagai gas. Sensitivitas, linearitas respons, waktu respons, selektivitas, histeresis, dan masa pakai sensor bergantung pada sifat bahan kimia pelapis.

2. Sensor nitrogen oksida

Nitrogen oksida adalah berbagai oksida nitrogen yang tersusun dari campuran gas, sering kali dinyatakan sebagai NOX. Dalam nitrogen oksida, berbagai bentuk stabilitas kimia nitrogen oksida berbeda, udara sering dibagi menjadi sifat kimia nitrogen monoksida dan nitrogen dioksida yang relatif stabil, signifikansinya dalam kebersihan tampaknya lebih penting daripada bentuk nitrogen oksida lainnya.

Dalam analisis lingkungan, nitrogen oksida umumnya mengacu pada nitrogen dioksida. Metode standar Tiongkok untuk memantau nitrogen oksida adalah metode kolorimetri naftalena etilendiamin hidroklorida, sensitivitas metode ini adalah 0.25ug/5ml, metode koefisien konversi dipengaruhi oleh komposisi larutan penyerap, konsentrasi nitrogen dioksida, kecepatan pengumpulan gas, struktur tabung penyerap, koeksistensi ion dan suhu serta banyak faktor lainnya, tidak sepenuhnya menyatu. Penentuan sensor adalah metode baru yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir.

3, Sensor Gas Hidrogen Sulfida

Hidrogen sulfida adalah gas yang tidak berwarna dan mudah terbakar dengan bau telur busuk yang khas, yang menyebabkan iritasi dan sesak napas, serta berbahaya bagi tubuh manusia. Kebanyakan metode menggunakan kalorimetri dan kromatografi gas untuk menentukan hidrogen sulfida di udara. Penentuan polutan udara yang kandungannya seringkali serendah mg/m3 merupakan salah satu aplikasi utama sensor gas, namun sensor gas semikonduktor tidak mampu memenuhi persyaratan sensitivitas dan selektivitas untuk memantau gas polutan tertentu dalam waktu singkat. waktu.

Rangkaian sensor film tipis berlapis perak terdiri dari empat sensor yang secara bersamaan mencatat konsentrasi sulfur dioksida dan hidrogen sulfida menggunakan penganalisis universal berdasarkan titrasi koulometri dan sinyal dari rangkaian sensor gas semikonduktor. Praktek telah menunjukkan bahwa sensor film tipis berlapis perak yang digunakan pada suhu 150 °C dengan suhu konstan efektif untuk memantau kandungan hidrogen sulfida di udara perkotaan.

4. Sensor Belerang Dioksida

Sulfur dioksida adalah salah satu zat utama yang mencemari udara, dan mendeteksi sulfur dioksida di udara merupakan bagian rutin dari pengujian udara. Penerapan sensor dalam memantau sulfur dioksida telah menunjukkan keunggulan yang luar biasa, mulai dari mempersingkat waktu deteksi hingga menurunkan batas deteksi. Polimer padat digunakan sebagai membran penukar ion, dengan satu sisi membran berisi elektrolit internal untuk elektroda penghitung dan referensi, dan elektroda platinum dimasukkan di sisi lain untuk membentuk sensor sulfur dioksida. Sensor dipasang di sel aliran dan mengoksidasi sulfur dioksida pada tegangan 0.65V. Kandungan sulfur dioksida kemudian ditunjukkan. Perangkat penginderaan menunjukkan sensitivitas arus yang tinggi, waktu respons yang singkat, stabilitas yang baik, kebisingan latar belakang yang rendah, rentang linier 0.2 mmol/L, batas deteksi 8*10-6 mmol/L, dan rasio sinyal terhadap kebisingan dari 3.

Sensor ini tidak hanya dapat mendeteksi sulfur dioksida di udara, tetapi juga digunakan untuk mendeteksi sulfur dioksida dalam cairan dengan konduktivitas rendah. Lapisan peka gas pada sensor gas sulfur dioksida film tipis silikat yang dimodifikasi secara organik dibuat menggunakan proses sol-gel dan teknologi putaran. Lapisan ini menunjukkan kemampuan reproduksi dan reversibilitas yang sangat baik dalam penentuan sulfur dioksida, dengan waktu respons cepat kurang dari 20 detik. Selain itu, ia menunjukkan interaksi minimal dengan gas lain dan sedikit dipengaruhi oleh perubahan suhu dan kelembapan.