Cosa sai dei sensori elettrochimici? Italia

Il sensore elettrochimico è un tipo di sensore che si basa sulle proprietà elettrochimiche dell'analita per trasdurre la quantità chimica in una quantità elettrica per il rilevamento e il rilevamento.

I primi sensori elettrochimici risalgono agli anni '1950, quando venivano utilizzati per il monitoraggio dell'ossigeno. E fino agli anni ’1980, quando furono utilizzati per monitorare un’ampia gamma di gas tossici e mostrarono una buona sensibilità e selettività.

Ⅰ. Principio di funzionamento del sensore elettrochimico

 I sensori elettrochimici funzionano reagendo chimicamente con il gas misurato e producendo un segnale elettrico proporzionale alla concentrazione del gas. La maggior parte dei sensori di gas elettrochimici generano una corrente linearmente proporzionale alla concentrazione di gas.

 Un sensore di gas elettrochimico funziona come segue: le molecole del gas target a contatto con il sensore passano prima attraverso un diaframma che impedisce la condensa e funge anche da barriera antipolvere. Successivamente le molecole di gas si diffondono attraverso un tubo capillare, eventualmente attraverso un filtro successivo, e quindi attraverso una membrana idrofobica fino alla superficie dell'elettrodo di rilevamento. Lì le molecole vengono immediatamente ossidate o ridotte, generando o consumando elettroni generando così una corrente elettrica.

 È importante notare che la quantità di molecole di gas che entrano nel sensore in questo modo è limitata dalla diffusione attraverso il capillare. Ottimizzando il percorso si ottiene un segnale elettrico adeguato in base al campo di misura desiderato. Il design dell'elettrodo di rilevamento è essenziale per ottenere un'elevata reattività al gas target e per sopprimere risposte indesiderate ai gas interferenti. Implica un sistema a tre fasi per solidi, liquidi e gas e tutti implicano l'identificazione chimica del gas analita. La cella elettrochimica è completata dal cosiddetto controelettrodo, l'elettrodo Cont, che bilancia la reazione sull'elettrodo di rilevamento. La corrente ionica tra l'elettrodo Cont e l'elettrodo Sen viene trasportata dall'elettrolita all'interno del corpo del sensore, mentre il percorso della corrente viene fornito attraverso un filo terminato da un connettore a pin. Un terzo elettrodo è solitamente incluso nei sensori elettrochimici (sensori a 3 elettrodi). Per mantenere il potenziale dell'elettrodo di rilevamento ad un valore fisso viene utilizzato un cosiddetto elettrodo di riferimento. A questo scopo, e solitamente per il funzionamento dei sensori elettrochimici, è necessario un circuito a potenziale costante.

Ⅱ. Componenti di un sensore elettrochimico

Il sensore elettrochimico comprende i seguenti quattro componenti chiave:

1. Membrane traspiranti (note anche come membrane idrofobiche): queste membrane servono a coprire gli elettrodi di rilevamento (catalitici) e, in alcuni casi, regolano il peso molecolare dei gas che raggiungono la superficie dell'elettrodo. Tipicamente, queste membrane sono fabbricate da pellicole di Teflon con bassa porosità. Quando queste membrane vengono utilizzate per coprire gli elettrodi, i sensori vengono definiti sensori rivestiti. In alternativa, è possibile utilizzare una pellicola di Teflon ad alta porosità, insieme a un capillare, per controllare il peso molecolare del gas che raggiunge la superficie dell'elettrodo. Questa configurazione è nota come sensore di tipo capillare. Oltre a fornire protezione meccanica al sensore, la pellicola funziona anche come filtro, eliminando le particelle indesiderate. Per garantire il passaggio del peso molecolare appropriato del gas, è fondamentale selezionare la dimensione di apertura appropriata sia per la membrana che per il capillare. La dimensione dell'apertura deve consentire a un numero sufficiente di molecole di gas di raggiungere l'elettrodo di rilevamento evitando perdite o rapida essiccazione dell'elettrolita liquido.

2. Elettrodo: è fondamentale selezionare attentamente il materiale dell'elettrodo. Il materiale dovrebbe essere catalitico, in grado di eseguire una reazione semi-elettrolitica per un periodo prolungato. In genere, gli elettrodi sono realizzati con metalli preziosi, come platino o oro, che reagiscono in modo efficiente con le molecole di gas attraverso la catalisi. A seconda del design del sensore, i tre elettrodi possono essere costruiti con materiali diversi per facilitare la reazione di elettrolisi.

3. Elettrolita: l'elettrolita deve essere in grado di facilitare le reazioni elettrolitiche e di trasdurre in modo efficiente la carica ionica sull'elettrodo. Deve inoltre formare un potenziale di riferimento stabile con l'elettrodo di riferimento ed essere compatibile con i materiali utilizzati all'interno del sensore. Inoltre, la rapida evaporazione dell'elettrolita può portare ad un indebolimento del segnale del sensore, compromettendone potenzialmente l'accuratezza e l'affidabilità.

4. Filtri: occasionalmente, i filtri scrubber vengono posizionati davanti al sensore per eliminare i gas indesiderati. La selezione dei filtri è limitata e ciascun tipo mostra un distinto livello di efficienza. Il carbone attivo è il materiale filtrante più utilizzato, poiché filtra efficacemente la maggior parte delle sostanze chimiche, escluso il monossido di carbonio. Selezionando attentamente il mezzo filtrante appropriato, i sensori elettrochimici raggiungono una maggiore selettività rispetto ai gas previsti.

Ⅲ. Classificazione del sensore elettrochimico

Esistono molti modi per classificare i sensori elettrochimici. A seconda dei diversi segnali di uscita, possono essere suddivisi in sensori potenziometrici, sensori amperometrici e sensori conduttometrici.

In base alle sostanze rilevate dai sensori elettrochimici, i sensori elettrochimici possono essere principalmente classificati in sensori di ioni, sensori di gas e biosensori.

Ⅳ. Principali proprietà e fattori che influenzano

1. Sensibilità

I principali fattori che influenzano la sensibilità includono: attività del catalizzatore, presa d'aria, conduttività dell'elettrolita e temperatura ambiente.

2. Recupero della risposta

I principali fattori che influenzano la velocità di recupero della risposta sono l'attività del catalizzatore, la conduttività dell'elettrolita, la struttura della camera a gas, le proprietà del gas, ecc.

3. Selettività/Interferenza incrociata

I principali fattori che influenzano la selettività includono il tipo di catalizzatore, elettrolita, tensione di polarizzazione, filtro, ecc.

4. Ripetibilità/stabilità a lungo termine

I fattori che influenzano la ripetibilità includono: stabilità della struttura dell'elettrodo, stabilità dell'elettrolita, stabilità del circuito del gas, ecc.

5, prestazioni ad alta e bassa temperatura

I fattori che influenzano la stabilità alle alte e basse temperature includono: attività del catalizzatore, stabilità della struttura dell'elettrodo e caratteristiche del gas.

V. Quattro principali applicazioni dei sensori elettrochimici

I sensori elettrochimici sono ampiamente utilizzati nelle aree industriali e civili di rilevamento di gas, possono rilevare ozono, formaldeide, monossido di carbonio, ammoniaca, idrogeno solforato, biossido di zolfo, biossido di azoto, ossigeno e altri gas, comunemente utilizzati nella strumentazione portatile e nella strumentazione di monitoraggio online del gas.

1. Sensore di umidità

L'umidità è un indicatore importante dell'ambiente aereo, l'umidità dell'aria e del corpo umano ha una stretta relazione tra il calore di evaporazione, l'alta temperatura e l'elevata umidità, a causa delle difficoltà di evaporazione dell'acqua del corpo umano e della sensazione di soffocamento, bassa temperatura e elevata umidità, il processo di dissipazione del calore del corpo umano è intenso, facile da provocare raffreddori e congelamento. La temperatura più adatta per il corpo umano è 18~22℃, l'umidità relativa è 35%~65% RH. Nel monitoraggio dell'ambiente e della salute, è comunemente utilizzato nel termoigrometro a bulbo umido, nell'igrometro a manovella e nell'igrometro a ventilazione e in altri strumenti per determinare l'umidità dell'aria.

Negli ultimi anni, un gran numero di letteratura riporta l’uso di sensori per determinare l’umidità dell’aria. I cristalli di quarzo piezoelettrici rivestiti utilizzati per la determinazione dell'umidità relativa vengono trasformati in piccoli cristalli piezoelettrici di quarzo mediante fotolitografia e tecniche di incisione chimica, e quattro sostanze sono rivestite sui cristalli di quarzo da 10 MHz tagliati AT, che hanno un'elevata sensibilità di massa all'umidità. Il cristallo è un risonatore in un circuito oscillante la cui frequenza varia con la massa e, selezionando il rivestimento appropriato, il sensore può essere utilizzato per determinare l'umidità relativa di diversi gas. La sensibilità, la linearità della risposta, il tempo di risposta, la selettività, l'isteresi e la durata del sensore dipendono dalla natura dei prodotti chimici del rivestimento.

2、Sensore di ossido di azoto

L'ossido di azoto è una varietà di ossidi di azoto composti da una miscela di gas, spesso espressi come NOX. Nell'ossido di azoto, diverse forme di stabilità chimica dell'ossido di azoto sono diverse, l'aria è spesso divisa in proprietà chimiche relativamente stabili di monossido di azoto e biossido di azoto, il loro significato in termini di igiene sembra essere più importante di altre forme di ossido di azoto.

Nell'analisi ambientale, l'ossido di azoto si riferisce generalmente al biossido di azoto. Il metodo standard cinese per il monitoraggio degli ossidi di azoto è il metodo colorimetrico della naftalene etilendiammina cloridrato, la sensibilità del metodo è 0.25ug/5 ml, il metodo del coefficiente di conversione è influenzato dalla composizione della soluzione assorbente, dalla concentrazione del biossido di azoto, dalla velocità di raccolta del gas, la struttura del tubo assorbitore, la coesistenza di ioni e temperatura e molti altri fattori, non del tutto unificati. La determinazione del sensore è un nuovo metodo sviluppato negli ultimi anni.

3、Sensore del gas di idrogeno solforato

L'idrogeno solforato è un gas incolore e combustibile con uno speciale odore di uova marce, irritante, asfissiante e dannoso per l'organismo umano. La maggior parte dei metodi utilizza la calorimetria e la gascromatografia per determinare l'idrogeno solforato nell'aria. La determinazione degli inquinanti atmosferici il cui contenuto è spesso pari al livello di mg/m3 è una delle principali applicazioni dei sensori di gas, ma i sensori di gas a semiconduttore non sono in grado di soddisfare i requisiti di sensibilità e selettività per il monitoraggio di determinati gas inquinanti in un breve periodo di tempo.

L'array di sensori a film sottile drogato con argento è costituito da quattro sensori che registrano simultaneamente le concentrazioni di anidride solforosa e idrogeno solforato utilizzando un analizzatore universale basato sulla titolazione coulometrica e i segnali provenienti dall'array di sensori di gas a semiconduttore. La pratica ha dimostrato che i sensori a film sottile drogato con argento utilizzati a 150 °C a temperatura costante sono efficaci per monitorare il contenuto di idrogeno solforato nell’aria urbana.

4. Sensore di anidride solforosa

L'anidride solforosa è una delle principali sostanze che inquinano l'aria e il rilevamento dell'anidride solforosa nell'aria rientra regolarmente nei test dell'aria. L'applicazione dei sensori nel monitoraggio del biossido di zolfo ha mostrato una grande superiorità, dalla riduzione del tempo di rilevamento all'abbassamento del limite di rilevamento. I polimeri solidi vengono utilizzati come membrane a scambio ionico, con un lato della membrana contenente elettroliti interni per gli elettrodi contatore e di riferimento e un elettrodo di platino inserito sull'altro lato per formare il sensore di anidride solforosa. Il sensore è montato in una cella a flusso e ossida l'anidride solforosa a una tensione di 0.65 V. Viene quindi indicato il contenuto di anidride solforosa. Il dispositivo di rilevamento presenta un'elevata sensibilità alla corrente, un tempo di risposta breve, una buona stabilità, un basso rumore di fondo, un intervallo lineare di 0.2 mmol/L, un limite di rilevamento di 8*10-6 mmol/L e un rapporto segnale/rumore di 3.

Il sensore non solo può rilevare il biossido di zolfo nell'aria, ma può anche essere utilizzato per rilevare il biossido di zolfo in liquidi a bassa conduttività. Il rivestimento sensibile ai gas del sensore di gas di anidride solforosa a film sottile di silicato modificato organicamente è stato fabbricato utilizzando il processo sol-gel e la tecnologia di centrifugazione. Questo rivestimento presenta un'eccellente riproducibilità e reversibilità nella determinazione dell'anidride solforosa, con un tempo di risposta rapido inferiore a 20 secondi. Inoltre, dimostra un'interazione minima con altri gas ed è minimamente influenzato dai cambiamenti di temperatura e umidità.