Электрохимиялық сенсорлар туралы не білесіз Қазақстан

Электрохимиялық сенсор - химиялық шаманы сезу және анықтау үшін электрлік шамаға түрлендіру үшін талданатын заттың электрохимиялық қасиеттеріне сүйенетін сенсор түрі.

Ең алғашқы электрохимиялық сенсорлар оттегі мониторингі үшін пайдаланылған 1950 жылдарға жатады. Ал 1980-ші жылдарға дейін, олар улы газдардың кең ауқымын бақылау үшін қолданылған және жақсы сезімталдық пен селективтілік көрсетті.

Ⅰ. Электрохимиялық датчиктің жұмыс принципі

 Электрохимиялық сенсорлар өлшенетін газбен химиялық әрекеттесу және газ концентрациясына пропорционал электр сигналын шығару арқылы жұмыс істейді. Көптеген электрохимиялық газ датчиктері газ концентрациясына сызықтық пропорционал ток тудырады.

 Электрохимиялық газ сенсоры келесідей жұмыс істейді: Сенсормен байланыста болған мақсатты газ молекулалары алдымен конденсацияны болдырмайтын диафрагма арқылы өтеді, сонымен қатар шаң бөгетінің рөлін атқарады. Содан кейін газ молекулалары капиллярлық түтік арқылы, мүмкін, келесі сүзгі арқылы, содан кейін гидрофобты мембрана арқылы сезгіш электродтың бетіне диффузияланады. Онда молекулалар бірден тотығады немесе тотықсызданады, осылайша электр тогын тудыратын электрондарды жасайды немесе тұтынады.

 Осы жолмен сенсорға түсетін газ молекулаларының мөлшері капилляр арқылы диффузиямен шектелетінін ескеру маңызды. Жолды оңтайландыру арқылы қажетті өлшеу диапазонына сәйкес тиісті электрлік сигнал алынады. Сенсорлық электродтың дизайны мақсатты газға жоғары жауап беру және кедергі жасайтын газдарға жағымсыз реакцияларды басу үшін өте маңызды. Ол қатты денелерге, сұйықтарға және газдарға арналған үш сатылы жүйені қамтиды және барлығы талданатын газды химиялық сәйкестендіруді қамтиды. Электрохимиялық ұяшықты сезгіш электродтағы реакцияны теңестіретін Конт электрод деп аталатын қарсы электрод аяқтайды. Cont электроды мен Sen электроды арасындағы иондық ток датчик корпусының ішіндегі электролит арқылы тасымалданады, ал ток жолы түйреуіш қосқышпен аяқталатын сым арқылы қамтамасыз етіледі. Үшінші электрод әдетте электрохимиялық сенсорларға (3 электродты датчиктер) кіреді. Сезгіш электродтың потенциалын белгіленген мәнде ұстап тұру үшін анықтамалық электрод деп аталатын электрод қолданылады. Осы мақсатта және әдетте электрохимиялық датчиктердің жұмысы үшін тұрақты потенциал тізбегі қажет.

Ⅱ. Электрохимиялық датчиктің құрамдас бөліктері

Электрохимиялық сенсор келесі төрт негізгі компоненттен тұрады:

1. Тыныс алатын мембраналар (гидрофобты мембраналар деп те аталады): Бұл мембраналар сезімтал (каталитикалық) электродтарды жабуға қызмет етеді және белгілі бір жағдайларда электрод бетіне түсетін газдардың молекулалық салмағын реттейді. Әдетте бұл мембраналар кеуектілігі төмен тефлон пленкаларынан жасалады. Бұл мембраналар электродтарды жабу үшін пайдаланылса, сенсорлар қапталған сенсорлар деп аталады. Немесе электрод бетіне түсетін газдың молекулалық салмағын бақылау үшін капиллярмен бірге жоғары кеуектілігі бар тефлон пленкасын пайдалануға болады. Бұл конфигурация капиллярлық типті сенсор ретінде белгілі. Сенсорды механикалық қорғауды қамтамасыз етумен қатар, пленка қажетсіз бөлшектерді кетіретін сүзгі қызметін де атқарады. Газдың тиісті молекулалық салмағының өтуіне рұқсат беру үшін мембрана мен капилляр үшін сәйкес апертура өлшемін таңдау өте маңызды. Апертура өлшемі сұйық электролиттің ағып кетуіне немесе тез кептірілуіне жол бермей, сезімтал электродқа жеткілікті газ молекулаларының жетуіне мүмкіндік беруі керек.

2. Электрод: электрод материалын мұқият таңдау өте маңызды. Материал ұзақ уақыт бойы жартылай электролиттік реакцияны орындауға қабілетті каталитикалық болуы керек. Әдетте электродтар катализ арқылы газ молекулаларымен тиімді әрекеттесетін платина немесе алтын сияқты бағалы металдардан жасалады. Сенсордың дизайнына байланысты электролиз реакциясын жеңілдету үшін үш электрод әртүрлі материалдардан жасалуы мүмкін.

3. Электролит: электролит электролиттік реакцияларды жеңілдетуге және иондық зарядты электродқа тиімді түрлендіруге қабілетті болуы керек. Ол сондай-ақ эталондық электродпен тұрақты сілтеме потенциалын құруы және сенсорда қолданылатын материалдармен үйлесімді болуы керек. Сонымен қатар, электролиттің жылдам булануы сенсор сигналының әлсіреуіне әкелуі мүмкін, бұл оның дәлдігі мен сенімділігіне нұқсан келтіруі мүмкін.

4. Сүзгілер: Кейде қажетсіз газдарды жою үшін скруббер сүзгілері сенсордың алдына орналастырылады. Сүзгілерді таңдау шектеулі, олардың әрқайсысы тиімділік деңгейін көрсетеді. Белсендірілген көмір ең көп қолданылатын сүзгі материалы болып табылады, көміртегі тотығын қоспағанда, көптеген химиялық заттарды тиімді сүзеді. Сәйкес сүзгі ортасын мұқият таңдау арқылы электрохимиялық сенсорлар тағайындалған газдарға қатысты жоғары селективтілікке қол жеткізеді.

Ⅲ. Электрохимиялық датчиктердің классификациясы

Электрохимиялық датчиктерді жіктеудің көптеген жолдары бар. Әртүрлі шығыс сигналдарына байланысты оларды потенциометриялық датчиктерге, амперометриялық датчиктерге және кондуктометриялық датчиктерге бөлуге болады.

Электрохимиялық датчиктермен анықталған заттарға сәйкес электрохимиялық сенсорларды негізінен иондық датчиктерге, газ датчиктеріне және биосенсорларға жіктеуге болады.

Ⅳ. Негізгі қасиеттері және әсер етуші факторлары

1. Сезімталдық

Сезімталдыққа әсер ететін негізгі факторларға мыналар жатады: катализатор белсенділігі, ауа қабылдау, электролит өткізгіштік және қоршаған орта температурасы.

2. Жауапты қалпына келтіру

Жауапты қалпына келтіру жылдамдығына әсер ететін негізгі факторлар катализатордың белсенділігі, электролит өткізгіштігі, газ камерасының құрылымы, газ қасиеттері және т.б.

3. Селективтілік/Айқас интерференция

Селективтілікке әсер ететін негізгі факторларға катализатордың түрі, электролит, ығысу кернеуі, сүзгі және т.б.

4. Қайталану/Ұзақ мерзімді тұрақтылық

Қайталануға әсер ететін факторларға мыналар жатады: электрод құрылымының тұрақтылығы, электролит тұрақтылығы, газ тізбегінің тұрақтылығы және т.б.

5、Жоғары және төмен температура өнімділігі

Жоғары және төмен температураның тұрақтылығына әсер ететін факторларға мыналар жатады: катализатордың белсенділігі, электрод құрылымының тұрақтылығы және газ сипаттамалары.

V. Электрохимиялық сенсорлардың төрт негізгі қолданылуы

Электрохимиялық сенсорлар газды анықтаудың өнеркәсіптік және азаматтық салаларында кеңінен қолданылады, озонды, формальдегидті, көміртегі тотығын, аммиакты, күкіртті сутегін, күкірт диоксиді, азот диоксиді, оттегі және басқа газдарды анықтай алады, әдетте портативті аспаптарда және газды онлайн бақылау аспаптарында қолданылады.

1. Ылғалдылық сенсоры

Ылғалдылық ауа ортасының маңызды көрсеткіші болып табылады, ауа мен адам ағзасының ылғалдылығы булану жылуы, жоғары температура және жоғары ылғалдылық арасында тығыз байланыста болады, бұл адам денесінің су булану қиындықтарына және тұншығу сезіміне, төмен температура мен жоғары ылғалдылық, адам ағзасының жылуды бөлу процесі қарқынды, суық тию және үсік шалу оңай. Адам ағзасына ең қолайлы температура 18~22℃, салыстырмалы ылғалдылық 35%~65% RH. Қоршаған орта мен денсаулықты бақылауда ол әдетте ылғалды термогигрометрде, қолмен жұмыс істейтін гигрометрде және желдету гигрометрінде және ауа ылғалдылығын анықтау үшін басқа құралдарда қолданылады.

Соңғы жылдары көптеген әдебиеттерде ауаның ылғалдылығын анықтау үшін сенсорларды қолдану туралы есептер бар. Салыстырмалы ылғалдылықты анықтау үшін қолданылатын қапталған пьезоэлектрлік кварц кристалдары фотолитография және химиялық сызу әдістерімен шағын кварц пьезоэлектрлік кристалдарына айналады және ылғалдылыққа жоғары массалық сезімталдыққа ие AT-кесілген 10 МГц кварц кристалдарына төрт зат қапталған. Кристалл жиілігі массаға байланысты өзгеретін тербелмелі контурдағы резонатор болып табылады және сәйкес жабынды таңдау арқылы сенсор әртүрлі газдардың салыстырмалы ылғалдылығын анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Сенсордың сезімталдығы, жауап беру сызықтылығы, жауап беру уақыты, селективтілігі, гистерезисі және қызмет ету мерзімі жабын химиялық заттардың табиғатына байланысты.

2、Азот оксиді сенсоры

Азот оксиді - бұл газдар қоспасынан тұратын азоттың әртүрлі оксидтері, көбінесе NOX түрінде көрсетіледі. Азот оксидінде азот оксидінің әртүрлі формаларының химиялық тұрақтылығы әртүрлі, ауа жиі азот тотығы мен азот диоксидінің салыстырмалы тұрақты химиялық қасиеттеріне бөлінеді, олардың гигиенадағы маңызы азот оксидінің басқа түрлеріне қарағанда маңыздырақ болып көрінеді.

Қоршаған ортаны талдауда азот оксиді әдетте азот диоксидіне жатады. Қытайдың азот оксидтерін бақылаудың стандартты әдісі нафталин этилендиамин гидрохлоридінің колориметриялық әдісі болып табылады, әдістің сезімталдығы 0.25мг/5мл, конверсия коэффициенті әдісіне сіңіргіш ерітіндінің құрамы, азот диоксидінің концентрациясы, жылдамдығы әсер етеді. газ жинау, абсорберлік түтіктің құрылымы, иондар мен температураның қатар өмір сүруі және басқа да көптеген факторлар толығымен біріктірілмеген. Сенсорды анықтау – соңғы жылдары жасалған жаңа әдіс.

3, күкіртті сутегі газының сенсоры

Күкіртсутек – түссіз, жанғыш, ерекше шіріген жұмыртқа иісі бар, тітіркендіргіш және тұншықтырғыш, адам ағзасына зиянды газ. Көптеген әдістерде ауадағы күкіртті сутегін анықтау үшін калориметрия және газ хроматографиясы қолданылады. Құрамы көбінесе мг/м3 деңгейінен төмен ауаны ластаушы заттарды анықтау газ датчиктерінің негізгі қолдануларының бірі болып табылады, бірақ жартылай өткізгіш газ датчиктері қысқа мерзімде белгілі бір ластаушы газдарды бақылау үшін сезімталдық пен селективтілік талаптарын қанағаттандыра алмайды. уақыт.

Күміс қоспасы бар жұқа пленкалы сенсор массиві кулонометриялық титрлеуге негізделген әмбебап анализаторды және жартылай өткізгішті газ датчигі массивінің сигналдарын пайдалана отырып, күкірт диоксиді мен күкіртті сутегінің концентрацияларын бір уақытта жазатын төрт сенсордан тұрады. Тәжірибе көрсеткендей, 150 °C температурада тұрақты температурада қолданылатын күміс қоспасы бар жұқа пленкалы сенсорлар қалалық ауадағы күкіртті сутегінің құрамын бақылау үшін тиімді.

4. Күкірт диоксиді сенсоры

Күкірт диоксиді ауаны ластайтын негізгі заттардың бірі болып табылады, ал ауадағы күкірт диоксидін анықтау ауаны сынаудың тұрақты бөлігі болып табылады. Күкірт диоксидін бақылауда сенсорларды қолдану анықтау уақытын қысқартудан анықтау шегін төмендетуге дейін үлкен артықшылық көрсетті. Қатты полимерлер ион алмастырғыш мембраналар ретінде пайдаланылады, мембрананың бір жағында есептегіш және эталон электродтары үшін ішкі электролиттер бар, ал екінші жағында күкірт диоксиді сенсорын қалыптастыру үшін платина электродтары салынған. Датчик ағынды ұяшыққа орнатылып, 0.65 В кернеуде күкірт диоксидін тотықтырады. Содан кейін күкірт диоксидінің құрамы көрсетіледі. Сезімтал құрылғы жоғары ток сезімталдығын, қысқа жауап беру уақытын, жақсы тұрақтылықты, төмен фондық шуды, 0.2 ммоль/л сызықтық диапазонды, 8*10-6 ммоль/л анықтау шегін және сигнал-шуыл қатынасын көрсетеді. 3-тен.

Датчик ауадағы күкірт диоксидін анықтап қана қоймай, сонымен қатар өткізгіштігі төмен сұйықтықтағы күкірт диоксидін анықтау үшін де қолданылады. Органикалық түрлендірілген силикатты жұқа қабықша күкірт диоксиді газ датчигінің газға сезімтал жабыны золь-гель процесі мен спин технологиясын қолдана отырып жасалған. Бұл жабын 20 секундтан аз жылдам жауап беру уақытымен күкірт диоксидін анықтауда тамаша қайталану және қайтымдылық көрсетеді. Сонымен қатар, ол басқа газдармен минималды өзара әрекеттесуді көрсетеді және температура мен ылғалдылықтың өзгеруіне аз әсер етеді.