Ko jūs zināt par elektroķīmiskiem sensoriem Latvija

Elektroķīmiskais sensors ir sensora veids, kas paļaujas uz analizējamās vielas elektroķīmiskajām īpašībām, lai pārveidotu ķīmisko daudzumu elektriskā daudzumā uztveršanai un noteikšanai.

Agrākie elektroķīmiskie sensori ir datēti ar 1950. gadiem, kad tos izmantoja skābekļa monitoringam. Un līdz 1980. gadiem, kad tos izmantoja, lai uzraudzītu plašu toksisko gāzu klāstu, un tiem bija laba jutība un selektivitāte.

Ⅰ. Elektroķīmiskā sensora darbības princips

 Elektroķīmiskie sensori darbojas, ķīmiski reaģējot ar mērāmo gāzi un radot elektrisku signālu, kas ir proporcionāls gāzes koncentrācijai. Lielākā daļa elektroķīmisko gāzes sensoru ģenerē strāvu, kas ir lineāri proporcionāla gāzes koncentrācijai.

 Elektroķīmiskais gāzes sensors darbojas šādi: Mērķa gāzes molekulas, kas saskaras ar sensoru, vispirms iziet cauri diafragmai, kas novērš kondensāciju un darbojas arī kā putekļu barjera. Pēc tam gāzes molekulas izkliedējas caur kapilāro cauruli, iespējams, caur nākamo filtru un pēc tam caur hidrofobu membrānu uz sensora elektroda virsmu. Tur molekulas tiek nekavējoties oksidētas vai reducētas, tādējādi radot vai patērējot elektronus, radot elektrisko strāvu.

 Ir svarīgi atzīmēt, ka gāzes molekulu daudzumu, kas šādā veidā nonāk sensorā, ierobežo difūzija caur kapilāru. Optimizējot ceļu, tiek iegūts atbilstošs elektriskais signāls atbilstoši vēlamajam mērījumu diapazonam. Sensora elektroda dizains ir būtisks, lai panāktu augstu reakciju uz mērķa gāzi un nomāktu nevēlamas reakcijas uz traucējošām gāzēm. Tas ietver trīspakāpju sistēmu cietām vielām, šķidrumiem un gāzēm, un tas viss ietver analizējamās gāzes ķīmisko identificēšanu. Elektroķīmisko elementu pabeidz tā sauktais pretelektrods, Cont elektrods, kas līdzsvaro reakciju pie sensora elektroda. Jonu strāva starp Cont elektrodu un Sen elektrodu tiek transportēta ar elektrolītu sensora korpusā, savukārt strāvas ceļš tiek nodrošināts caur vadu, kas noslēgts ar tapas savienotāju. Trešais elektrods parasti ir iekļauts elektroķīmiskajos sensoros (3 elektrodu sensoros). Lai saglabātu sensora elektroda potenciālu fiksētā vērtībā, tiek izmantots tā sauktais atsauces elektrods. Šim nolūkam un parasti elektroķīmisko sensoru darbībai ir nepieciešama pastāvīga potenciāla ķēde.

Ⅱ. Elektroķīmiskā sensora sastāvdaļas

Elektroķīmiskais sensors sastāv no šādiem četriem galvenajiem komponentiem:

1. Elpojošas membrānas (pazīstamas arī kā hidrofobās membrānas): šīs membrānas kalpo, lai pārklātu sensoros (katalītiskos) elektrodus un atsevišķos gadījumos regulē gāzu molekulmasu, kas sasniedz elektrodu virsmu. Parasti šīs membrānas ir izgatavotas no teflona plēvēm ar zemu porainību. Ja šīs membrānas izmanto, lai pārklātu elektrodus, sensorus sauc par pārklājuma sensoriem. Alternatīvi var izmantot augstas porainības teflona plēvi kopā ar kapilāru, lai kontrolētu gāzes molekulmasu, kas sasniedz elektroda virsmu. Šī konfigurācija ir pazīstama kā kapilārā tipa sensors. Filma ne tikai nodrošina sensora mehānisko aizsardzību, bet arī darbojas kā filtrs, novēršot nevēlamās daļiņas. Lai nodrošinātu, ka gāzei tiek izlaista atbilstoša molekulmasa, ir svarīgi izvēlēties atbilstošu diafragmas izmēru gan membrānai, gan kapilāram. Diafragmas izmēram ir jāļauj pietiekami daudz gāzes molekulu sasniegt sensora elektrodu, vienlaikus novēršot šķidrā elektrolīta noplūdi vai ātru izžūšanu.

2. Elektrods: ir ļoti svarīgi rūpīgi izvēlēties elektroda materiālu. Materiālam jābūt katalītiskam, kas ilgstoši spēj veikt daļēji elektrolītisku reakciju. Parasti elektrodi ir izgatavoti no dārgmetāliem, piemēram, platīna vai zelta, kas efektīvi reaģē ar gāzes molekulām, izmantojot katalīzi. Atkarībā no sensora konstrukcijas trīs elektrodi var būt izgatavoti no dažādiem materiāliem, lai atvieglotu elektrolīzes reakciju.

3. Elektrolīts: elektrolītam jāspēj veicināt elektrolītiskās reakcijas un efektīvi pārvadīt jonu lādiņu uz elektrodu. Tam arī jāveido stabils atskaites potenciāls ar atsauces elektrodu un jābūt saderīgam ar sensorā izmantotajiem materiāliem. Turklāt strauja elektrolīta iztvaikošana var izraisīt sensora signāla pavājināšanos, kas var apdraudēt tā precizitāti un uzticamību.

4. Filtri: dažkārt skrubera filtri tiek novietoti sensora priekšā, lai novērstu nevēlamās gāzes. Filtru izvēle ir ierobežota, un katram veidam ir atšķirīgs efektivitātes līmenis. Aktīvā ogle ir visplašāk izmantotais filtru materiāls, kas efektīvi filtrē lielāko daļu ķīmisko vielu, izņemot oglekļa monoksīdu. Rūpīgi izvēloties atbilstošo filtra materiālu, elektroķīmiskie sensori panāk paaugstinātu selektivitāti pret tām paredzētajām gāzēm.

Ⅲ. Elektroķīmisko sensoru klasifikācija

Ir daudzi veidi, kā klasificēt elektroķīmiskos sensorus. Atkarībā no to dažādajiem izejas signāliem tos var iedalīt potenciometriskajos sensoros, amperometriskajos sensoros un konduktometriskajos sensoros.

Saskaņā ar elektroķīmisko sensoru noteiktajām vielām elektroķīmiskos sensorus galvenokārt var iedalīt jonu sensoros, gāzes sensoros un biosensoros.

Ⅳ. Galvenās īpašības un ietekmējošie faktori

1. Jutīgums

Galvenie faktori, kas ietekmē jutību, ir: katalizatora aktivitāte, gaisa ieplūde, elektrolītu vadītspēja un apkārtējās vides temperatūra.

2. Atbildes atgūšana

Galvenie faktori, kas ietekmē reakcijas atjaunošanās ātrumu, ir katalizatora aktivitāte, elektrolīta vadītspēja, gāzes kameras struktūra, gāzes īpašības utt.

3. Selektivitāte/Šķērsitraucējumi

Galvenie faktori, kas ietekmē selektivitāti, ir katalizatora veids, elektrolīts, nobīdes spriegums, filtrs utt.

4. Atkārtojamība/Ilgtermiņa stabilitāte

Faktori, kas ietekmē atkārtojamību, ir: elektrodu struktūras stabilitāte, elektrolīta stabilitāte, gāzes ķēdes stabilitāte utt.

5 、 Augstas un zemas temperatūras veiktspēja

Faktori, kas ietekmē stabilitāti augstā un zemā temperatūrā, ir: katalizatora aktivitāte, elektrodu struktūras stabilitāte un gāzes raksturlielumi.

V. Četri galvenie elektroķīmisko sensoru pielietojumi

Elektroķīmiskos sensorus plaši izmanto rūpnieciskās un civilās gāzes noteikšanas jomās, tie var noteikt ozonu, formaldehīdu, oglekļa monoksīdu, amonjaku, sērūdeņradi, sēra dioksīdu, slāpekļa dioksīdu, skābekli un citas gāzes, ko parasti izmanto pārnēsājamos instrumentos un gāzes tiešsaistes monitoringa instrumentos.

1. Mitruma sensors

Mitrums ir svarīgs gaisa vides rādītājs, gaisa mitrumam un cilvēka ķermenim ir cieša saikne starp iztvaikošanas siltumu, augstu temperatūru un augstu mitrumu, jo cilvēka ķermenis apgrūtina ūdens iztvaikošanu un jūtas aizlikts, zema temperatūra un augsts mitrums, cilvēka ķermeņa siltuma izkliedes process ir intensīvs, viegli izraisa saaukstēšanos un apsaldējumus. Cilvēka ķermenim piemērotākā temperatūra ir 18-22 ℃, relatīvais mitrums ir 35% ~ 65% RH. Vides un veselības uzraudzībā to parasti izmanto mitrās spuldzes termohigrometrā, ar roku darbināmā higrometrā un ventilācijas higrometrā un citos instrumentos, lai noteiktu gaisa mitrumu.

Pēdējos gados liels skaits literatūru ziņo par sensoru izmantošanu gaisa mitruma noteikšanai. Pārklātie pjezoelektriskie kvarca kristāli, ko izmanto relatīvā mitruma noteikšanai, tiek izgatavoti mazos kvarca pjezoelektriskos kristālos ar fotolitogrāfijas un ķīmiskās kodināšanas paņēmieniem, un četras vielas tiek pārklātas uz AT-grieztiem 10 MHz kvarca kristāliem, kuriem ir augsta masas jutība pret mitrumu. Kristāls ir rezonators svārstību ķēdē, kura frekvence mainās atkarībā no masas, un, izvēloties atbilstošu pārklājumu, ar sensoru var noteikt dažādu gāzu relatīvo mitrumu. Sensora jutība, reakcijas linearitāte, reakcijas laiks, selektivitāte, histerēze un kalpošanas laiks ir atkarīgi no pārklājuma ķīmisko vielu veida.

2, slāpekļa oksīda sensors

Slāpekļa oksīds ir dažādi slāpekļa oksīdi, kas sastāv no gāzu maisījuma, ko bieži izsaka kā NOX. Slāpekļa oksīdā dažādas slāpekļa oksīda ķīmiskās stabilitātes formas ir atšķirīgas, gaiss bieži tiek sadalīts relatīvi stabilās slāpekļa oksīda un slāpekļa dioksīda ķīmiskajās īpašībās, to nozīme higiēnā šķiet svarīgāka nekā citiem slāpekļa oksīda veidiem.

Vides analīzē slāpekļa oksīds parasti attiecas uz slāpekļa dioksīdu. Ķīnas standarta metode slāpekļa oksīdu uzraudzībai ir naftalīna etilēndiamīna hidrohlorīda kolorimetriskā metode, metodes jutīgums ir 0.25 ug/5 ml, konversijas koeficienta metodi ietekmē absorbējošā šķīduma sastāvs, slāpekļa dioksīda koncentrācija, ātrums. gāzu savākšanas, absorbcijas caurules struktūra, jonu un temperatūras līdzāspastāvēšana un daudzi citi faktori, kas nav pilnībā vienoti. Sensoru noteikšana ir jauna metode, kas izstrādāta pēdējos gados.

3, ūdeņraža sulfīda gāzes sensors

Sērūdeņradis ir bezkrāsaina, degoša gāze ar īpašu sapuvušu olu smaku, kas ir kairinoša un asfiksējoša, kā arī kaitīga cilvēka ķermenim. Lielākā daļa metožu izmanto kalorimetriju un gāzu hromatogrāfiju, lai noteiktu sērūdeņradi gaisā. Gaisa piesārņotāju noteikšana, kuru saturs bieži vien ir līdz mg/m3 līmenim, ir viens no galvenajiem gāzes sensoru pielietojumiem, bet pusvadītāju gāzes sensori nespēj izpildīt jutīguma un selektivitātes prasības noteiktu piesārņojošo gāzu monitoringam īsā laika periodā. laika.

Ar sudrabu leģēts plānslāņa sensoru bloks sastāv no četriem sensoriem, kas vienlaikus reģistrē sēra dioksīda un sērūdeņraža koncentrāciju, izmantojot universālu analizatoru, kura pamatā ir kulometriskā titrēšana un signāli no pusvadītāju gāzes sensoru bloka. Prakse ir parādījusi, ka ar sudrabu leģēti plānslāņa sensori, ko izmanto 150 ° C temperatūrā nemainīgā temperatūrā, ir efektīvi sērūdeņraža satura uzraudzībai pilsētas gaisā.

4. Sēra dioksīda sensors

Sēra dioksīds ir viena no galvenajām vielām, kas piesārņo gaisu, un sēra dioksīda noteikšana gaisā ir regulāra gaisa pārbaudes sastāvdaļa. Sensoru izmantošana sēra dioksīda uzraudzībā ir izrādījusi lielu pārākumu, sākot no noteikšanas laika saīsināšanas līdz noteikšanas robežas pazemināšanai. Cietie polimēri tiek izmantoti kā jonu apmaiņas membrānas, un vienā membrānas pusē ir iekšējie elektrolīti pretelektrodiem un atsauces elektrodiem, un platīna elektrods ir ievietots otrā pusē, lai izveidotu sēra dioksīda sensoru. Sensors ir uzstādīts plūsmas šūnā un oksidē sēra dioksīdu pie 0.65 V sprieguma. Pēc tam tiek norādīts sēra dioksīda saturs. Sensora ierīcei ir augsta strāvas jutība, īss reakcijas laiks, laba stabilitāte, zems fona troksnis, lineārais diapazons 0.2 mmol/L, noteikšanas robeža 8*10-6 mmol/L un signāla-trokšņa attiecība. no 3.

Sensors var ne tikai noteikt sēra dioksīdu gaisā, bet arī izmantot sēra dioksīda noteikšanai šķidrumā ar zemu vadītspēju. Organiski modificētā silikāta plānslāņa sēra dioksīda gāzes sensora gāzjutīgais pārklājums tika izgatavots, izmantojot sol-gel procesu un centrifūgas tehnoloģiju. Šim pārklājumam ir lieliska sēra dioksīda noteikšanas reproducējamība un atgriezeniskums ar ātru reakcijas laiku, kas ir mazāks par 20 sekundēm. Turklāt tas demonstrē minimālu mijiedarbību ar citām gāzēm, un to minimāli ietekmē temperatūras un mitruma izmaiņas.