Vad vet du om elektrokemiska sensorer Sverige

Den elektrokemiska sensorn är en typ av sensor som förlitar sig på analytens elektrokemiska egenskaper för att omvandla den kemiska kvantiteten till en elektrisk kvantitet för avkänning och detektering.

De tidigaste elektrokemiska sensorerna går tillbaka till 1950-talet, då de användes för syreövervakning. Och till 1980-talet, då de användes för att övervaka ett brett spektrum av giftiga gaser och visade god känslighet och selektivitet.

Ⅰ. Arbetsprincip för elektrokemisk sensor

 Elektrokemiska sensorer fungerar genom att reagera kemiskt med gasen som mäts och producera en elektrisk signal som är proportionell mot gaskoncentrationen. De flesta elektrokemiska gassensorer genererar ström som är linjärt proportionell mot gaskoncentrationen.

 En elektrokemisk gassensor fungerar enligt följande: Målgasmolekylerna i kontakt med sensorn passerar först genom ett membran som förhindrar kondens och fungerar även som en dammbarriär. Sedan diffunderar gasmolekylerna genom ett kapillärrör, eventuellt genom ett efterföljande filter, och sedan genom ett hydrofobt membran till ytan av avkänningselektroden. Där oxideras eller reduceras molekylerna omedelbart, vilket genererar eller förbrukar elektroner och genererar en elektrisk ström.

 Det är viktigt att notera att mängden gasmolekyler som kommer in i sensorn på detta sätt begränsas av diffusion genom kapillären. Genom att optimera vägen erhålls en lämplig elektrisk signal enligt det önskade mätområdet. Utformningen av avkänningselektroden är väsentlig för att uppnå hög känslighet för målgasen och för att undertrycka oönskade reaktioner på störande gaser. Det involverar ett trestegssystem för fasta ämnen, vätskor och gaser, och alla involverar kemisk identifiering av analytgasen. Den elektrokemiska cellen kompletteras av den så kallade motelektroden, Cont-elektroden, som balanserar reaktionen vid avkänningselektroden. Jonströmmen mellan Cont-elektroden och Sen-elektroden transporteras av elektrolyten inuti sensorkroppen, medan strömvägen tillhandahålls genom en tråd som avslutas av en stiftkontakt. En tredje elektrod ingår vanligtvis i elektrokemiska sensorer (3-elektrodssensorer). En så kallad referenselektrod används för att hålla avkänningselektrodens potential vid ett fast värde. För detta ändamål och vanligtvis för drift av elektrokemiska sensorer krävs en konstant potentialkrets.

Ⅱ. Komponenter i en elektrokemisk sensor

Den elektrokemiska sensorn består av följande fyra nyckelkomponenter:

1. Andningsbara membran (även kända som hydrofoba membran): Dessa membran tjänar till att täcka de avkännande (katalytiska) elektroderna och, i vissa fall, reglera molekylvikten hos gaser som når elektrodytan. Typiskt är dessa membran tillverkade av teflonfilmer med låg porositet. När dessa membran används för att täcka elektroderna kallas sensorerna för belagda sensorer. Alternativt kan en teflonfilm med hög porositet användas tillsammans med en kapillär för att kontrollera molekylvikten hos gasen som når elektrodens yta. Denna konfiguration är känd som en sensor av kapillärtyp. Förutom att ge mekaniskt skydd för sensorn, fungerar filmen även som ett filter, vilket eliminerar oönskade partiklar. För att säkerställa att lämplig molekylvikt hos gasen tillåts passera genom, är det avgörande att välja lämplig öppningsstorlek för både membranet och kapillären. Bländarstorleken måste tillåta tillräckligt med gasmolekyler att nå avkänningselektroden samtidigt som läckage eller snabb torkning av den flytande elektrolyten förhindras.

2. Elektrod: Det är viktigt att noggrant välja elektrodmaterialet. Materialet bör vara katalytiskt, kapabelt att utföra en semi-elektrolytisk reaktion under en längre period. Vanligtvis är elektroder tillverkade av ädla metaller, som platina eller guld, som reagerar effektivt med gasmolekyler genom katalys. Beroende på sensorns design kan de tre elektroderna vara konstruerade av olika material för att underlätta elektrolysreaktionen.

3. Elektrolyt: Elektrolyten måste kunna underlätta elektrolytiska reaktioner och effektivt överföra jonladdning till elektroden. Den måste också bilda en stabil referenspotential med referenselektroden och vara kompatibel med materialen som används i sensorn. Dessutom kan snabb avdunstning av elektrolyten leda till en försvagning av sensorsignalen, vilket potentiellt äventyrar dess noggrannhet och tillförlitlighet.

4. Filter: Ibland placeras skrubberfilter framför sensorn för att eliminera oönskade gaser. Urvalet av filter är begränsat, där varje typ uppvisar en distinkt effektivitetsnivå. Aktivt kol står som det mest använda filtermaterialet och filtrerar effektivt bort de flesta kemikalier, exklusive kolmonoxid. Genom att noggrant välja lämpligt filtermedium uppnår elektrokemiska sensorer en ökad selektivitet mot sina avsedda gaser.

Ⅲ. Klassificering av elektrokemisk sensor

Det finns många sätt att klassificera elektrokemiska sensorer. Beroende på deras varierande utsignaler kan de delas in i potentiometriska sensorer, amperometriska sensorer och konduktometriska sensorer.

Enligt de ämnen som detekteras av elektrokemiska sensorer kan elektrokemiska sensorer huvudsakligen klassificeras i jonsensorer, gassensorer och biosensorer.

Ⅳ. Huvudegenskaper och påverkande faktorer

1. Känslighet

De viktigaste faktorerna som påverkar känsligheten inkluderar: katalysatoraktivitet, luftintag, elektrolytledningsförmåga och omgivningstemperatur.

2. Responsåterställning

De huvudsakliga faktorerna som påverkar responsåtervinningshastigheten är katalysatoraktivitet, elektrolytledningsförmåga, gaskammarens struktur, gasegenskaper, etc.

3. Selektivitet/korsinterferens

De viktigaste faktorerna som påverkar selektiviteten inkluderar typen av katalysator, elektrolyt, förspänning, filter etc.

4. Repeterbarhet/Långtidsstabilitet

Faktorer som påverkar repeterbarheten inkluderar: elektrodstrukturstabilitet, elektrolytstabilitet, gaskretsstabilitet, etc.

5、Hög och låg temperaturprestanda

Faktorer som påverkar hög- och lågtemperaturstabilitet inkluderar: katalysatoraktivitet, elektrodstrukturstabilitet och gasegenskaper.

V. Fyra stora tillämpningar av elektrokemiska sensorer

Elektrokemiska sensorer används ofta i industriella och civila områden för gasdetektering, kan detektera ozon, formaldehyd, kolmonoxid, ammoniak, vätesulfid, svaveldioxid, kvävedioxid, syre och andra gaser, som vanligtvis används i bärbar instrumentering och online-övervakningsinstrument för gas.

1. Fuktighetssensor

Fuktighet är en viktig indikator på luftmiljön, luftfuktigheten i luften och människokroppen har ett nära samband mellan förångningsvärme, hög temperatur och hög luftfuktighet, på grund av den mänskliga kroppens svårigheter med vattenavdunstning och känns kvav, låg temperatur och hög luftfuktighet, den mänskliga kroppens värmeavledningsprocessen är intensiv, lätt att orsaka förkylningar och frostskador. Den mest lämpliga temperaturen för människokroppen är 18 ~ 22 ℃, relativ luftfuktighet är 35% ~ 65% RH. Inom miljö- och hälsoövervakning används den vanligtvis i termohygrometer för våt glödlampa, handvevad hygrometer och ventilationshygrometer och andra instrument för att bestämma luftfuktigheten.

Under de senaste åren har ett stort antal litteraturrapporter om användningen av sensorer för att bestämma luftfuktighet. De belagda piezoelektriska kvartskristallerna som används för bestämning av relativ fuktighet görs till små piezoelektriska kvartskristaller genom fotolitografi och kemisk etsningsteknik, och fyra ämnen är belagda på de AT-skurna 10 MHz kvartskristallerna, som har en hög masskänslighet för fukt. Kristallen är en resonator i en oscillerande krets vars frekvens varierar med massan, och genom att välja lämplig beläggning kan sensorn användas för att bestämma den relativa fuktigheten hos olika gaser. Känsligheten, responslinjäriteten, responstiden, selektiviteten, hysteresen och livslängden för sensorn beror på beläggningskemikaliernas natur.

2、Kväveoxidsensor

Kväveoxid är en mängd kväveoxider som består av en blandning av gaser, ofta uttryckt som NOX. I kväveoxiden är olika former av kväveoxids kemiska stabilitet olika, luften delas ofta in i relativt stabila kemiska egenskaper hos kvävemonoxid och kvävedioxid, deras betydelse för hygienen tycks vara viktigare än andra former av kväveoxid.

I miljöanalys avser kväveoxid generellt kvävedioxid. Kinas standardmetod för övervakning av kväveoxider är den kolorimetriska metoden för naftalenetylendiaminhydroklorid, metodens känslighet är 0.25 ug/5ml, metoden för omvandlingskoefficient påverkas av sammansättningen av den absorberande lösningen, koncentrationen av kvävedioxid, hastigheten av gasinsamling, strukturen på absorbatorröret, samexistensen av joner och temperatur och många andra faktorer, inte helt enhetliga. Sensorbestämning är en ny metod som utvecklats på senare år.

3, vätesulfidgassensor

Svavelväte är en färglös, brännbar gas med en speciell lukt av ruttna ägg, som är irriterande och kvävande och skadlig för människokroppen. De flesta metoder använder kalorimetri och gaskromatografi för att bestämma svavelväte i luften. Bestämning av luftföroreningar vars innehåll ofta är så lågt som mg/m3-nivån är en av huvudapplikationerna för gassensorer, men halvledargassensorer kan inte uppfylla kraven på känslighet och selektivitet för att övervaka vissa förorenande gaser under en kort period av tid.

Den silverdopade tunnfilmssensorgruppen består av fyra sensorer som samtidigt registrerar koncentrationerna av svaveldioxid och svavelväte med hjälp av en universell analysator baserad på kulometrisk titrering och signalerna från halvledargassensorgruppen. Praxis har visat att silverdopade tunnfilmssensorer som används vid 150 °C på ett sätt med konstant temperatur är effektiva för att övervaka svavelvätehalten i stadsluften.

4. Svaveldioxidsensor

Svaveldioxid är ett av de viktigaste ämnena som förorenar luften och att upptäcka svaveldioxid i luften är en vanlig del av lufttestning. Tillämpningen av sensorer vid övervakning av svaveldioxid har visat stor överlägsenhet, från att förkorta detektionstiden till att sänka detektionsgränsen. Fasta polymerer används som jonbytarmembran, där ena sidan av membranet innehåller inre elektrolyter för mot- och referenselektroderna, och en platinaelektrod införd på den andra sidan för att bilda svaveldioxidsensorn. Givaren är monterad i en flödescell och oxiderar svaveldioxid vid en spänning på 0.65V. Svaveldioxidhalten anges då. Avkänningsanordningen uppvisar hög strömkänslighet, kort svarstid, bra stabilitet, lågt bakgrundsljud, ett linjärt område på 0.2 mmol/L, en detektionsgräns på 8*10-6 mmol/L och ett signal-brusförhållande av 3.

Sensorn kan inte bara detektera svaveldioxid i luften, utan även användas för att detektera svaveldioxid i vätska med låg ledningsförmåga. Den gaskänsliga beläggningen av den organiskt modifierade silikat tunnfilms svaveldioxidgassensorn tillverkades med hjälp av sol-gel-process och spin-teknik. Denna beläggning uppvisar utmärkt reproducerbarhet och reversibilitet vid bestämning av svaveldioxid, med en snabb svarstid på mindre än 20 sekunder. Dessutom visar den minimal interaktion med andra gaser och påverkas minimalt av förändringar i temperatur och luftfuktighet.