Ce știi despre senzorii electrochimici România

Senzorul electrochimic este un tip de senzor care se bazează pe proprietățile electrochimice ale analitului pentru a transduce cantitatea chimică într-o cantitate electrică pentru detectare și detectare.

Cei mai vechi senzori electrochimici datează din anii 1950, când erau utilizați pentru monitorizarea oxigenului. Și până în anii 1980, când au fost folosite pentru a monitoriza o gamă largă de gaze toxice și au arătat o bună sensibilitate și selectivitate.

Ⅰ. Principiul de funcționare al senzorului electrochimic

 Senzorii electrochimici funcționează prin reacția chimică cu gazul măsurat și producând un semnal electric proporțional cu concentrația gazului. Majoritatea senzorilor electrochimici de gaz generează curent care este liniar proporțional cu concentrația de gaz.

 Un senzor electrochimic de gaz funcționează după cum urmează: moleculele de gaz țintă în contact cu senzorul trec mai întâi printr-o diafragmă care previne condensul și acționează, de asemenea, ca o barieră de praf. Apoi moleculele de gaz difuzează printr-un tub capilar, eventual printr-un filtru ulterior, și apoi printr-o membrană hidrofobă către suprafața electrodului de detectare. Acolo moleculele sunt imediat oxidate sau reduse, generând sau consumând astfel electroni, generând astfel un curent electric.

 Este important de remarcat faptul că cantitatea de molecule de gaz care intră în senzor în acest mod este limitată de difuzie prin capilar. Prin optimizarea traseului se obține un semnal electric adecvat în funcție de domeniul de măsurare dorit. Designul electrodului de detectare este esențial pentru a obține o reacție ridicată la gazul țintă și pentru a suprima răspunsurile nedorite la gazele interferente. Acesta implică un sistem în trei etape pentru solide, lichide și gaze și toate implică identificarea chimică a gazului analitic. Celula electrochimică este completată de așa-numitul contraelectrod, electrodul Cont, care echilibrează reacția la electrodul de detectare. Curentul ionic dintre electrodul Cont și electrodul Sen este transportat de electrolit în corpul senzorului, în timp ce calea curentului este furnizată printr-un fir terminat printr-un conector pin. Un al treilea electrod este de obicei inclus în senzorii electrochimici (senzori cu 3 electrozi). Un așa-numit electrod de referință este utilizat pentru a menține potențialul electrodului de detectare la o valoare fixă. În acest scop și de obicei pentru funcționarea senzorilor electrochimici, este necesar un circuit cu potențial constant.

Ⅱ. Componentele unui senzor electrochimic

Senzorul electrochimic cuprinde următoarele patru componente cheie:

1. Membrane respirabile (cunoscute și ca membrane hidrofobe): Aceste membrane servesc la acoperirea electrozilor de detectare (catalitici) și, în anumite cazuri, reglează greutatea moleculară a gazelor care ajung la suprafața electrodului. De obicei, aceste membrane sunt fabricate din folii de teflon cu porozitate scăzută. Când aceste membrane sunt folosite pentru a acoperi electrozii, senzorii sunt denumiți senzori acoperiți. Alternativ, o peliculă de teflon cu porozitate ridicată poate fi utilizată, împreună cu un capilar, pentru a controla greutatea moleculară a gazului care ajunge la suprafața electrodului. Această configurație este cunoscută ca senzor de tip capilar. Pe langa protectia mecanica a senzorului, filmul functioneaza si ca un filtru, eliminand particulele nedorite. Pentru a asigura trecerea greutății moleculare adecvate a gazului, este esențial să selectați dimensiunea corespunzătoare a deschiderii atât pentru membrană, cât și pentru capilar. Dimensiunea deschiderii trebuie să permită suficiente molecule de gaz să ajungă la electrodul de detectare, prevenind în același timp scurgerea sau uscarea rapidă a electrolitului lichid.

2. Electrodul: Este esențial să selectați cu atenție materialul electrodului. Materialul trebuie să fie catalitic, capabil să efectueze o reacție semi-electrolitică pe o perioadă prelungită. De obicei, electrozii sunt fabricați din metale prețioase, cum ar fi platina sau aurul, care reacționează eficient cu moleculele de gaz prin cataliză. În funcție de designul senzorului, cei trei electrozi pot fi construiți din materiale diferite pentru a facilita reacția de electroliză.

3. Electrolitul: Electrolitul trebuie să fie capabil să faciliteze reacțiile electrolitice și să transmită eficient sarcina ionică la electrod. De asemenea, trebuie să formeze un potențial de referință stabil cu electrodul de referință și să fie compatibil cu materialele utilizate în senzor. Mai mult, evaporarea rapidă a electrolitului poate duce la o slăbire a semnalului senzorului, compromițând potențial acuratețea și fiabilitatea acestuia.

4. Filtre: Ocazional, filtrele de epurare sunt poziționate în fața senzorului pentru a elimina gazele nedorite. Selecția de filtre este limitată, fiecare tip prezentând un nivel distinct de eficiență. Cărbunele activat este cel mai utilizat material de filtrare, eliminând eficient majoritatea substanțelor chimice, cu excepția monoxidului de carbon. Selectând cu atenție mediile de filtrare adecvate, senzorii electrochimici obțin o selectivitate sporită față de gazele dorite.

Ⅲ. Clasificarea senzorului electrochimic

Există multe moduri de a clasifica senzorii electrochimici. În funcție de diferitele semnale de ieșire, acestea pot fi împărțite în senzori potențiometrici, senzori amperometrici și senzori conductometrici.

În funcție de substanțele detectate de senzorii electrochimici, senzorii electrochimici pot fi clasificați în principal în senzori de ioni, senzori de gaz și biosenzori.

Ⅳ. Principalele proprietăți și factori de influență

1. Sensibilitate

Principalii factori care afectează sensibilitatea includ: activitatea catalizatorului, admisia de aer, conductivitatea electrolitului și temperatura ambiantă.

2. Recuperarea răspunsului

Principalii factori care afectează viteza de recuperare a răspunsului sunt activitatea catalizatorului, conductivitatea electrolitului, structura camerei de gaz, proprietățile gazului etc.

3. Selectivitate/Interferență încrucișată

Principalii factori care afectează selectivitatea includ tipul de catalizator, electrolit, tensiune de polarizare, filtru etc.

4. Repetabilitate/Stabilitate pe termen lung

Factorii care afectează repetabilitatea includ: stabilitatea structurii electrodului, stabilitatea electrolitului, stabilitatea circuitului de gaz etc.

5, performanță la temperaturi ridicate și scăzute

Factorii care afectează stabilitatea la temperaturi ridicate și scăzute includ: activitatea catalizatorului, stabilitatea structurii electrodului și caracteristicile gazului.

V. Patru aplicații majore ale senzorilor electrochimici

Senzorii electrochimici sunt utilizați pe scară largă în zonele industriale și civile de detectare a gazelor, pot detecta ozon, formaldehidă, monoxid de carbon, amoniac, hidrogen sulfurat, dioxid de sulf, dioxid de azot, oxigen și alte gaze, utilizate în mod obișnuit în instrumente portabile și instrumente de monitorizare online a gazelor.

1. Senzor de umiditate

Umiditatea este un indicator important al mediului aerian, umiditatea aerului și corpul uman au o relație strânsă între căldura de evaporare, temperatură ridicată și umiditate ridicată, din cauza dificultăților de evaporare a apei din corpul uman și a se simți înfundat, temperatură scăzută și umiditate ridicată, procesul de disipare a căldurii corpului uman este intens, ușor de provocat răceli și degerături. Temperatura cea mai potrivită pentru corpul uman este de 18 ~ 22 ℃, umiditatea relativă este de 35% ~ 65% RH. În monitorizarea mediului și a sănătății, este utilizat în mod obișnuit în termohigrometrul cu bulb umed, higrometrul cu manivelă și higrometrul de ventilație și alte instrumente pentru a determina umiditatea aerului.

În ultimii ani, un număr mare de rapoarte din literatură despre utilizarea senzorilor pentru a determina umiditatea aerului. Cristalele de cuarț piezoelectrice acoperite utilizate pentru determinarea umidității relative sunt transformate în cristale piezoelectrice de cuarț mici prin tehnici de fotolitografie și gravare chimică, iar patru substanțe sunt acoperite pe cristale de cuarț AT-cut de 10 MHz, care au o sensibilitate mare la umiditate. Cristalul este un rezonator într-un circuit oscilant a cărui frecvență variază în funcție de masă, iar prin selectarea acoperirii adecvate, senzorul poate fi utilizat pentru a determina umiditatea relativă a diferitelor gaze. Sensibilitatea, liniaritatea răspunsului, timpul de răspuns, selectivitatea, histerezisul și durata de viață a senzorului depind de natura substanțelor chimice de acoperire.

2, Senzor de oxid de azot

Oxidul de azot este o varietate de oxizi de azot compus dintr-un amestec de gaze, adesea exprimat ca NOX. În oxidul de azot, diferitele forme de stabilitate chimică a oxidului de azot sunt diferite, aerul este adesea împărțit în proprietăți chimice relativ stabile ale monoxidului de azot și dioxidului de azot, semnificația lor în igienă pare a fi mai importantă decât alte forme de oxid de azot.

În analiza mediului, oxidul de azot se referă în general la dioxidul de azot. Metoda standard din China pentru monitorizarea oxizilor de azot este metoda colorimetrică a clorhidratului de naftalen etilendiamină, sensibilitatea metodei este de 0.25 ug/5 ml, metoda de coeficient de conversie este afectată de compoziția soluției absorbante, concentrația de dioxid de azot, viteza de colectare a gazelor, structura tubului absorbant, coexistența ionilor și a temperaturii și mulți alți factori, necomplet unificat. Determinarea senzorilor este o metodă nouă dezvoltată în ultimii ani.

3, Senzor de gaz de hidrogen sulfurat

Hidrogenul sulfurat este un gaz incolor, combustibil, cu un miros special de ou stricat, care este iritant și asfixiant și dăunător pentru organismul uman. Majoritatea metodelor folosesc calorimetria și cromatografia în gaz pentru a determina hidrogenul sulfurat din aer. Determinarea poluanților atmosferici al căror conținut este adesea la fel de scăzut ca nivelul mg/m3 este una dintre principalele aplicații ale senzorilor de gaz, dar senzorii de gaz semiconductor nu sunt capabili să îndeplinească cerințele de sensibilitate și selectivitate pentru monitorizarea anumitor gaze poluante într-o perioadă scurtă. de timp.

Rețeaua de senzori cu peliculă subțire dopată cu argint constă din patru senzori care înregistrează simultan concentrațiile de dioxid de sulf și hidrogen sulfurat folosind un analizor universal bazat pe titrarea coulometrică și semnalele de la matricea de senzori de gaz semiconductor. Practica a arătat că senzorii cu peliculă subțire dopați cu argint utilizați la 150 °C la o temperatură constantă sunt eficienți pentru monitorizarea conținutului de hidrogen sulfurat în aerul urban.

4. Senzor de dioxid de sulf

Dioxidul de sulf este una dintre principalele substanțe care poluează aerul, iar detectarea dioxidului de sulf în aer este o parte obișnuită a testării aerului. Aplicarea senzorilor în monitorizarea dioxidului de sulf a demonstrat o mare superioritate, de la scurtarea timpului de detectare până la scăderea limitei de detecție. Polimerii solizi sunt utilizați ca membrane schimbătoare de ioni, cu o parte a membranei care conține electroliți interni pentru electrozii de contor și de referință și un electrod de platină introdus pe cealaltă parte pentru a forma senzorul de dioxid de sulf. Senzorul este montat într-o celulă de flux și oxidează dioxidul de sulf la o tensiune de 0.65 V. Se indică apoi conținutul de dioxid de sulf. Dispozitivul de detectare prezintă o sensibilitate ridicată la curent, un timp scurt de răspuns, o stabilitate bună, un zgomot de fond scăzut, o gamă liniară de 0.2 mmol/L, o limită de detecție de 8*10-6 mmol/L și un raport semnal-zgomot. din 3.

Senzorul poate detecta nu numai dioxidul de sulf din aer, dar poate fi folosit și pentru a detecta dioxidul de sulf în lichidul cu conductivitate scăzută. Învelișul sensibil la gaz al senzorului de gaz de dioxid de sulf cu film subțire de silicat modificat organic a fost fabricat utilizând procesul sol-gel și tehnologia de centrifugare. Această acoperire prezintă o reproductibilitate și reversibilitate excelente în determinarea dioxidului de sulf, cu un timp de răspuns rapid de mai puțin de 20 de secunde. În plus, demonstrează o interacțiune minimă cu alte gaze și este influențată minim de schimbările de temperatură și umiditate.