O que você sabe sobre sensores eletroquímicos

O sensor eletroquímico é um tipo de sensor que depende das propriedades eletroquímicas do analito para transduzir a quantidade química em uma quantidade elétrica para detecção e detecção.

Os primeiros sensores eletroquímicos datam da década de 1950, quando eram usados ​​para monitoramento de oxigênio. E até a década de 1980, quando foram utilizados para monitorar uma ampla gama de gases tóxicos e apresentaram boa sensibilidade e seletividade.

Ⅰ. Princípio de funcionamento do sensor eletroquímico

 Os sensores eletroquímicos funcionam reagindo quimicamente com o gás que está sendo medido e produzindo um sinal elétrico proporcional à concentração do gás. A maioria dos sensores eletroquímicos de gás gera corrente que é linearmente proporcional à concentração do gás.

 Um sensor eletroquímico de gás funciona da seguinte forma: As moléculas do gás alvo em contato com o sensor passam primeiro por um diafragma que evita a condensação e também atua como uma barreira contra poeira. Em seguida, as moléculas de gás se difundem através de um tubo capilar, possivelmente através de um filtro subsequente, e depois através de uma membrana hidrofóbica até a superfície do eletrodo sensor. Aí as moléculas são imediatamente oxidadas ou reduzidas, gerando ou consumindo elétrons gerando assim uma corrente elétrica.

 É importante notar que a quantidade de moléculas de gás que entram no sensor desta forma é limitada pela difusão através do capilar. Ao otimizar o caminho, um sinal elétrico apropriado é obtido de acordo com a faixa de medição desejada. O design do eletrodo sensor é essencial para alcançar alta capacidade de resposta ao gás alvo e para suprimir respostas indesejadas a gases interferentes. Envolve um sistema de três estágios para sólidos, líquidos e gases, e todos envolvem a identificação química do gás analito. A célula eletroquímica é completada pelo chamado contra-eletrodo, o eletrodo Cont, que equilibra a reação no eletrodo sensor. A corrente iônica entre o eletrodo Cont e o eletrodo Sen é transportada pelo eletrólito dentro do corpo do sensor, enquanto o caminho da corrente é fornecido através de um fio terminado por um conector de pino. Um terceiro eletrodo geralmente é incluído em sensores eletroquímicos (sensores de 3 eletrodos). Um chamado eletrodo de referência é usado para manter o potencial do eletrodo sensor em um valor fixo. Para este propósito e normalmente para o funcionamento de sensores eletroquímicos, é necessário um circuito de potencial constante.

Ⅱ. Componentes de um sensor eletroquímico

O sensor eletroquímico compreende os seguintes quatro componentes principais:

1. Membranas respiráveis ​​(também conhecidas como membranas hidrofóbicas): Estas membranas servem para cobrir os eletrodos sensores (catalíticos) e, em certos casos, regulam o peso molecular dos gases que atingem a superfície do eletrodo. Normalmente, estas membranas são fabricadas a partir de filmes de Teflon com baixa porosidade. Quando essas membranas são empregadas para cobrir os eletrodos, os sensores são chamados de sensores revestidos. Alternativamente, um filme de Teflon de alta porosidade pode ser utilizado, juntamente com um capilar, para controlar o peso molecular do gás que atinge a superfície do eletrodo. Esta configuração é conhecida como sensor do tipo capilar. Além de fornecer proteção mecânica ao sensor, o filme também funciona como filtro, eliminando partículas indesejadas. Para garantir a passagem do peso molecular apropriado do gás, é crucial selecionar o tamanho de abertura apropriado para a membrana e o capilar. O tamanho da abertura deve permitir que moléculas de gás suficientes alcancem o eletrodo sensor, evitando vazamento ou secagem rápida do eletrólito líquido.

2. Eletrodo: É crucial selecionar cuidadosamente o material do eletrodo. O material deve ser catalítico, capaz de realizar uma reação semieletrolítica durante um período prolongado. Normalmente, os eletrodos são fabricados a partir de metais preciosos, como platina ou ouro, que reagem eficientemente com moléculas de gás por meio de catálise. Dependendo do design do sensor, os três eletrodos podem ser construídos com materiais diferentes para facilitar a reação de eletrólise.

3. Eletrólito: O eletrólito deve ser capaz de facilitar as reações eletrolíticas e transduzir eficientemente a carga iônica para o eletrodo. Ele também deve formar um potencial de referência estável com o eletrodo de referência e ser compatível com os materiais usados ​​no sensor. Além disso, a rápida evaporação do eletrólito pode levar ao enfraquecimento do sinal do sensor, comprometendo potencialmente a sua precisão e confiabilidade.

4. Filtros: Ocasionalmente, filtros purificadores são posicionados na frente do sensor para eliminar gases indesejados. A seleção de filtros é limitada, com cada tipo exibindo um nível distinto de eficiência. O carvão ativado é o material de filtro mais utilizado, filtrando com eficácia a maioria dos produtos químicos, excluindo o monóxido de carbono. Ao selecionar cuidadosamente o meio filtrante apropriado, os sensores eletroquímicos alcançam uma maior seletividade em relação aos gases pretendidos.

Ⅲ. Classificação do Sensor Eletroquímico

Existem muitas maneiras de classificar sensores eletroquímicos. Dependendo de seus sinais de saída variados, eles podem ser divididos em sensores potenciométricos, sensores amperométricos e sensores condutométricos.

De acordo com as substâncias detectadas pelos sensores eletroquímicos, os sensores eletroquímicos podem ser classificados principalmente em sensores de íons, sensores de gás e biossensores.

Ⅳ. Principais propriedades e fatores de influência

1. Sensibilidade

Os principais fatores que afetam a sensibilidade incluem: atividade do catalisador, entrada de ar, condutividade eletrolítica e temperatura ambiente.

2. Recuperação de resposta

Os principais fatores que afetam a velocidade de recuperação da resposta são atividade do catalisador, condutividade eletrolítica, estrutura da câmara de gás, propriedades do gás, etc.

3. Seletividade/interferência cruzada

Os principais fatores que afetam a seletividade incluem o tipo de catalisador, eletrólito, tensão de polarização, filtro, etc.

4. Repetibilidade/estabilidade a longo prazo

Os fatores que afetam a repetibilidade incluem: estabilidade da estrutura do eletrodo, estabilidade do eletrólito, estabilidade do circuito de gás, etc.

5、Desempenho de alta e baixa temperatura

Os fatores que afetam a estabilidade em altas e baixas temperaturas incluem: atividade do catalisador, estabilidade da estrutura do eletrodo e características do gás.

V. Quatro aplicações principais de sensores eletroquímicos

Sensores eletroquímicos são amplamente utilizados em áreas industriais e civis de detecção de gás, podem detectar ozônio, formaldeído, monóxido de carbono, amônia, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, dióxido de nitrogênio, oxigênio e outros gases, comumente usados ​​em instrumentação portátil e instrumentação de monitoramento on-line de gás.

1. Sensor de umidade

A umidade é um importante indicador do ar ambiente, a umidade do ar e do corpo humano tem uma estreita relação entre o calor de evaporação, alta temperatura e alta umidade, devido às dificuldades de evaporação da água do corpo humano e sensação de abafamento, baixa temperatura e alta umidade, o processo de dissipação de calor do corpo humano é intenso, fácil de causar resfriados e queimaduras pelo frio. A temperatura mais adequada para o corpo humano é de 18 ~ 22 ℃, a umidade relativa é de 35% ~ 65% RH. No monitoramento ambiental e de saúde, é comumente utilizado em termo-higrômetro de bulbo úmido, higrômetro de manivela e higrômetro de ventilação e outros instrumentos para determinar a umidade do ar.

Nos últimos anos, um grande número de literatura relata o uso de sensores para determinar a umidade do ar. Os cristais de quartzo piezoelétricos revestidos usados ​​para a determinação da umidade relativa são transformados em pequenos cristais piezoelétricos de quartzo por fotolitografia e técnicas de gravação química, e quatro substâncias são revestidas nos cristais de quartzo de corte AT de 10 MHz, que possuem alta sensibilidade de massa à umidade. O cristal é um ressonador em um circuito oscilante cuja frequência varia com a massa e, selecionando o revestimento apropriado, o sensor pode ser usado para determinar a umidade relativa de diferentes gases. A sensibilidade, a linearidade da resposta, o tempo de resposta, a seletividade, a histerese e a vida útil do sensor dependem da natureza dos produtos químicos do revestimento.

2、Sensor de óxido de nitrogênio

O óxido de nitrogênio é uma variedade de óxidos de nitrogênio compostos por uma mistura de gases, frequentemente expressos como NOX. No óxido de nitrogênio, diferentes formas de estabilidade química do óxido de nitrogênio são diferentes, o ar é frequentemente dividido em propriedades químicas relativamente estáveis ​​de monóxido de nitrogênio e dióxido de nitrogênio, sua importância na higiene parece ser mais importante do que outras formas de óxido de nitrogênio.

Na análise ambiental, o óxido de nitrogênio geralmente se refere ao dióxido de nitrogênio. O método padrão da China para monitorar óxidos de nitrogênio é o método colorimétrico de cloridrato de naftaleno etilenodiamina, a sensibilidade do método é 0.25ug/5ml, o método de coeficiente de conversão é afetado pela composição da solução absorvente, a concentração de dióxido de nitrogênio, a velocidade de coleta de gás, a estrutura do tubo absorvedor, a coexistência de íons e temperatura e muitos outros fatores, não completamente unificados. A determinação do sensor é um novo método desenvolvido nos últimos anos.

3、Sensor de gás sulfeto de hidrogênio

O sulfeto de hidrogênio é um gás combustível incolor com um cheiro especial de ovo podre, que é irritante e asfixiante e prejudicial ao corpo humano. A maioria dos métodos usa calorimetria e cromatografia gasosa para determinar o sulfeto de hidrogênio no ar. A determinação de poluentes atmosféricos cujo conteúdo é muitas vezes tão baixo quanto o nível mg/m3 é uma das principais aplicações dos sensores de gás, mas os sensores de gás semicondutores não são capazes de atender aos requisitos de sensibilidade e seletividade para monitorar certos gases poluentes em um curto período. de tempo.

O conjunto de sensores de filme fino dopado com prata consiste em quatro sensores que registram simultaneamente as concentrações de dióxido de enxofre e sulfeto de hidrogênio usando um analisador universal baseado na titulação coulométrica e nos sinais do conjunto de sensores de gás semicondutor. A prática tem demonstrado que sensores de película fina dopados com prata usados ​​a 150 °C em temperatura constante são eficazes para monitorar o conteúdo de sulfeto de hidrogênio no ar urbano.

4. Sensor de dióxido de enxofre

O dióxido de enxofre é uma das principais substâncias que poluem o ar, e a detecção de dióxido de enxofre no ar é uma parte regular dos testes de ar. A aplicação de sensores no monitoramento do dióxido de enxofre tem demonstrado grande superioridade, desde a redução do tempo de detecção até a redução do limite de detecção. Polímeros sólidos são usados ​​como membranas de troca iônica, com um lado da membrana contendo eletrólitos internos para os eletrodos contador e de referência, e um eletrodo de platina inserido no outro lado para formar o sensor de dióxido de enxofre. O sensor é montado em uma célula de fluxo e oxida dióxido de enxofre a uma tensão de 0.65V. O teor de dióxido de enxofre é então indicado. O dispositivo de detecção exibe alta sensibilidade à corrente, tempo de resposta curto, boa estabilidade, baixo ruído de fundo, faixa linear de 0.2 mmol/L, limite de detecção de 8*10-6 mmol/L e relação sinal-ruído de 3.

O sensor pode não apenas detectar dióxido de enxofre no ar, mas também ser usado para detectar dióxido de enxofre em líquidos de baixa condutividade. O revestimento sensível a gás do sensor de gás de dióxido de enxofre de película fina de silicato organicamente modificado foi fabricado utilizando processo sol-gel e tecnologia de rotação. Este revestimento apresenta excelente reprodutibilidade e reversibilidade na determinação de dióxido de enxofre, com um tempo de resposta rápido de menos de 20 segundos. Além disso, demonstra interação mínima com outros gases e é minimamente influenciado por mudanças de temperatura e umidade.