Ano ang alam mo tungkol sa mga electrochemical sensor

Ang electrochemical sensor ay isang uri ng sensor na umaasa sa mga electrochemical properties ng analyte upang ilipat ang dami ng kemikal sa isang elektrikal na dami para sa sensing at detection.

Ang pinakaunang mga electrochemical sensor ay nagsimula noong 1950s, noong ginamit ang mga ito para sa pagsubaybay sa oxygen. At noong 1980s, noong ginamit ang mga ito upang subaybayan ang isang malawak na hanay ng mga nakakalason na gas at nagpakita ng magandang sensitivity at selectivity.

Ⅰ. Prinsipyo ng pagtatrabaho ng electrochemical sensor

 Gumagana ang mga electrochemical sensor sa pamamagitan ng pagre-react ng kemikal sa gas na sinusukat at gumagawa ng electrical signal na proporsyonal sa konsentrasyon ng gas. Karamihan sa mga electrochemical gas sensor ay bumubuo ng kasalukuyang na linearly proporsyonal sa konsentrasyon ng gas.

 Ang isang electrochemical gas sensor ay gumagana tulad ng sumusunod: Ang mga target na molekula ng gas na nakikipag-ugnayan sa sensor ay unang dumaan sa isang diaphragm na pumipigil sa condensation at nagsisilbi ring isang dust barrier. Pagkatapos ang mga molekula ng gas ay kumakalat sa pamamagitan ng isang capillary tube, posibleng sa pamamagitan ng isang kasunod na filter, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng isang hydrophobic membrane sa ibabaw ng sensing electrode. Doon ang mga molekula ay agad na na-oxidized o nababawasan, kaya bumubuo o kumakain ng mga electron kaya bumubuo ng isang electric current.

 Mahalagang tandaan na ang dami ng mga molekula ng gas na pumapasok sa sensor sa ganitong paraan ay limitado sa pamamagitan ng pagsasabog sa pamamagitan ng capillary. Sa pamamagitan ng pag-optimize ng landas, ang isang naaangkop na electrical signal ay nakuha ayon sa nais na hanay ng pagsukat. Ang disenyo ng sensing electrode ay mahalaga upang makamit ang mataas na pagtugon sa target na gas at upang sugpuin ang mga hindi gustong tugon sa mga nakakasagabal na gas. Ito ay nagsasangkot ng tatlong yugto na sistema para sa mga solido, likido at gas, at lahat ay may kinalaman sa kemikal na pagkakakilanlan ng analyte gas. Ang electrochemical cell ay nakumpleto ng tinatawag na counter electrode, ang Cont electrode, na nagbabalanse sa reaksyon sa sensing electrode. Ang ionic current sa pagitan ng Cont electrode at Sen electrode ay dinadala ng electrolyte sa loob ng sensor body, habang ang kasalukuyang landas ay ibinibigay sa pamamagitan ng wire na tinapos ng pin connector. Ang ikatlong elektrod ay karaniwang kasama sa mga electrochemical sensor (3-electrode sensors). Ang isang tinatawag na reference electrode ay ginagamit upang mapanatili ang potensyal ng sensing electrode sa isang nakapirming halaga. Para sa layuning ito at kadalasan para sa pagpapatakbo ng mga electrochemical sensor, kinakailangan ang isang pare-parehong potensyal na circuit.

Ⅱ. Mga bahagi ng isang electrochemical sensor

Ang electrochemical sensor ay binubuo ng sumusunod na apat na pangunahing bahagi:

1. Breathable membranes (kilala rin bilang hydrophobic membranes): Ang mga lamad na ito ay nagsisilbing takip sa sensing (catalytic) na mga electrodes at, sa ilang partikular na pagkakataon, kinokontrol ang molecular weight ng mga gas na umaabot sa ibabaw ng electrode. Karaniwan, ang mga lamad na ito ay gawa-gawa mula sa mga pelikulang Teflon na may mababang porosity. Kapag ang mga lamad na ito ay ginagamit upang takpan ang mga electrodes, ang mga sensor ay tinutukoy bilang mga pinahiran na sensor. Bilang kahalili, ang isang mataas na porosity Teflon film ay maaaring gamitin, kasama ng isang capillary, upang kontrolin ang molekular na bigat ng gas na umaabot sa ibabaw ng elektrod. Ang pagsasaayos na ito ay kilala bilang isang sensor ng uri ng capillary. Bukod sa pagbibigay ng mekanikal na proteksyon para sa sensor, gumagana din ang pelikula bilang isang filter, na nag-aalis ng mga hindi gustong mga particle. Upang matiyak na ang naaangkop na molekular na bigat ng gas ay pinahihintulutang dumaan, mahalagang piliin ang naaangkop na laki ng siwang para sa parehong lamad at sa capillary. Ang laki ng aperture ay dapat magbigay-daan sa sapat na mga molekula ng gas na maabot ang sensing electrode habang pinipigilan ang pagtagas o mabilis na pagkatuyo ng likidong electrolyte.

2. Electrode: Napakahalaga na maingat na piliin ang materyal na elektrod. Ang materyal ay dapat na catalytic, na may kakayahang magsagawa ng semi-electrolytic na reaksyon sa loob ng mahabang panahon. Karaniwan, ang mga electrodes ay ginawa mula sa mahahalagang metal, tulad ng platinum o ginto, na mahusay na tumutugon sa mga molekula ng gas sa pamamagitan ng catalysis. Depende sa disenyo ng sensor, ang tatlong electrodes ay maaaring itayo mula sa iba't ibang mga materyales upang mapadali ang electrolysis reaction.

3. Electrolyte: Ang electrolyte ay dapat na may kakayahang pangasiwaan ang electrolytic reactions at mahusay na transducing ionic charge sa electrode. Dapat din itong bumuo ng isang matatag na potensyal na sanggunian sa reference electrode at maging tugma sa mga materyales na ginamit sa loob ng sensor. Higit pa rito, ang mabilis na pagsingaw ng electrolyte ay maaaring humantong sa pagpapahina ng signal ng sensor, na posibleng makompromiso ang katumpakan at pagiging maaasahan nito.

4. Mga Filter: Paminsan-minsan, ang mga scrubber filter ay nakaposisyon sa harap ng sensor upang alisin ang mga hindi gustong gas. Limitado ang pagpili ng mga filter, na ang bawat uri ay nagpapakita ng natatanging antas ng kahusayan. Naninindigan ang activated carbon bilang ang pinakamalawak na ginagamit na filter na materyal, na epektibong sinasala ang karamihan sa mga kemikal, hindi kasama ang carbon monoxide. Sa pamamagitan ng maingat na pagpili ng naaangkop na media ng filter, ang mga electrochemical sensor ay nakakakuha ng mas mataas na selectivity patungo sa kanilang mga nilalayon na gas.

Ⅲ. Pag-uuri ng Electrochemical Sensor

Mayroong maraming mga paraan upang pag-uri-uriin ang mga electrochemical sensor. Depende sa kanilang iba't ibang output signal, maaari silang hatiin sa mga potentiometric sensor, amperometric sensor, at conductometric sensor.

Ayon sa mga sangkap na nakita ng mga electrochemical sensor, ang mga electrochemical sensor ay maaaring pangunahing uriin sa mga sensor ng ion, mga sensor ng gas at mga biosensor.

Ⅳ. Mga Pangunahing Katangian at Mga Salik na Nakakaimpluwensya

1. Sensitibo

Kabilang sa mga pangunahing salik na nakakaapekto sa sensitivity ang: aktibidad ng catalyst, air intake, electrolyte conductivity, at ambient temperature.

2. Pagbawi ng tugon

Ang mga pangunahing kadahilanan na nakakaapekto sa bilis ng pagbawi ng tugon ay ang aktibidad ng katalista, kondaktibiti ng electrolyte, istraktura ng silid ng gas, mga katangian ng gas, atbp.

3. Selectivity/Cross-interference

Ang mga pangunahing kadahilanan na nakakaapekto sa pagpili ay ang uri ng katalista, electrolyte, bias boltahe, filter, atbp.

4. Repeatability / Pangmatagalang katatagan

Ang mga salik na nakakaapekto sa pag-uulit ay kinabibilangan ng: katatagan ng istruktura ng elektrod, katatagan ng electrolyte, katatagan ng circuit ng gas, atbp.

5, Mataas at mababang pagganap ng temperatura

Ang mga salik na nakakaapekto sa mataas at mababang katatagan ng temperatura ay kinabibilangan ng: aktibidad ng katalista, katatagan ng istruktura ng elektrod, at mga katangian ng gas.

V. Apat na pangunahing aplikasyon ng mga electrochemical sensor

Ang mga electrochemical sensor ay malawakang ginagamit sa mga pang-industriya at sibilyang lugar ng pagtuklas ng gas, maaaring makakita ng ozone, formaldehyde, carbon monoxide, ammonia, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, oxygen at iba pang mga gas, na karaniwang ginagamit sa portable instrumentation at gas online monitoring instrumentation.

1. Humidity Sensor

Ang halumigmig ay isang mahalagang tagapagpahiwatig ng kapaligiran ng hangin, ang halumigmig ng hangin at ang katawan ng tao ay may malapit na kaugnayan sa pagitan ng init ng pagsingaw, mataas na temperatura at mataas na kahalumigmigan, dahil sa mga paghihirap sa pagsingaw ng tubig sa katawan ng tao at pakiramdam ng baradong, mababang temperatura at mataas na kahalumigmigan, ang proseso ng pagwawaldas ng init ng katawan ng tao ay matindi, madaling maging sanhi ng sipon at frostbite. Ang pinaka-angkop na temperatura para sa katawan ng tao ay 18~22℃, ang relatibong halumigmig ay 35%~65% RH. Sa kapaligiran at pagsubaybay sa kalusugan, ito ay karaniwang ginagamit sa wet bulb thermo-hygrometer, hand-cranked hygrometer at ventilation hygrometer at iba pang mga instrumento upang matukoy ang air humidity.

Sa mga nagdaang taon, ang isang malaking bilang ng mga ulat ng panitikan sa paggamit ng mga sensor upang matukoy ang kahalumigmigan ng hangin. Ang pinahiran na piezoelectric quartz crystals na ginagamit para sa pagtukoy ng relative humidity ay ginagawang maliliit na quartz piezoelectric crystals sa pamamagitan ng photolithography at chemical etching techniques, at apat na substance ang pinahiran sa AT-cut 10 MHz quartz crystals, na may mataas na mass sensitivity sa humidity. Ang kristal ay isang resonator sa isang oscillating circuit na ang dalas ay nag-iiba sa masa, at sa pamamagitan ng pagpili ng naaangkop na patong, ang sensor ay maaaring gamitin upang matukoy ang kamag-anak na kahalumigmigan ng iba't ibang mga gas. Ang sensitivity, response linearity, response time, selectivity, hysteresis at lifetime ng sensor ay nakadepende sa likas na katangian ng mga coating na kemikal.

2, sensor ng nitrogen oxide

Ang nitrogen oxide ay isang iba't ibang mga oxide ng nitrogen na binubuo ng isang halo ng mga gas, madalas na ipinahayag bilang NOX. Sa nitrogen oxide, iba't ibang anyo ng nitrogen oxide ang katatagan ng kemikal, ang hangin ay madalas na nahahati sa medyo matatag na mga katangian ng kemikal ng nitrogen monoxide at nitrogen dioxide, ang kanilang kahalagahan sa kalinisan ay lumilitaw na mas mahalaga kaysa sa iba pang mga anyo ng nitrogen oxide.

Sa pagsusuri sa kapaligiran, ang nitrogen oxide ay karaniwang tumutukoy sa nitrogen dioxide. Ang karaniwang paraan ng China para sa pagsubaybay sa nitrogen oxides ay ang colorimetric na paraan ng naphthalene ethylenediamine hydrochloride, ang sensitivity ng pamamaraan ay 0.25ug/5ml, ang paraan ng conversion coefficient ay apektado ng komposisyon ng absorbent solution, ang konsentrasyon ng nitrogen dioxide, ang bilis ng koleksyon ng gas, ang istraktura ng absorber tube, ang magkakasamang buhay ng mga ions at temperatura at maraming iba pang mga kadahilanan, hindi ganap na pinag-isa. Ang pagpapasiya ng sensor ay isang bagong paraan na binuo sa mga nakaraang taon.

3、Hydrogen Sulfide Gas Sensor

Ang hydrogen sulfide ay isang walang kulay, nasusunog na gas na may espesyal na amoy ng bulok na itlog, na nakakairita at nakaka-sphyxie, at nakakapinsala sa katawan ng tao. Karamihan sa mga pamamaraan ay gumagamit ng calorimetry at gas chromatography upang matukoy ang hydrogen sulfide sa hangin. Ang pagtukoy ng mga air pollutant na ang nilalaman ay kadalasang kasing baba ng antas ng mg/m3 ay isa sa mga pangunahing aplikasyon ng mga gas sensor, ngunit ang mga semiconductor gas sensor ay hindi nakakatugon sa sensitivity at selectivity na kinakailangan para sa pagsubaybay sa ilang mga pollutant na gas sa maikling panahon. ng oras.

Ang silver-doped thin-film sensor array ay binubuo ng apat na sensor na sabay na nagtatala ng mga konsentrasyon ng sulfur dioxide at hydrogen sulfide gamit ang isang universal analyzer batay sa coulometric titration at ang mga signal mula sa semiconductor gas sensor array. Ipinakita ng pagsasanay na ang mga silver-doped thin-film sensor na ginagamit sa 150 °C sa paraang pare-pareho ang temperatura ay epektibo para sa pagsubaybay sa nilalaman ng hydrogen sulfide sa hangin sa lungsod.

4. Sulfur Dioxide Sensor

Ang sulfur dioxide ay isa sa mga pangunahing sangkap na nagpaparumi sa hangin, at ang pag-detect ng sulfur dioxide sa hangin ay isang regular na bahagi ng air testing. Ang paggamit ng mga sensor sa pagsubaybay sa sulfur dioxide ay nagpakita ng mahusay na kahusayan, mula sa pagpapaikli ng oras ng pagtuklas hanggang sa pagpapababa sa limitasyon ng pagtuklas. Ang mga solidong polimer ay ginagamit bilang mga lamad ng pagpapalitan ng ion, na may isang gilid ng lamad na naglalaman ng mga panloob na electrolyte para sa counter at reference na mga electrodes, at isang platinum electrode na ipinasok sa kabilang panig upang mabuo ang sulfur dioxide sensor. Ang sensor ay naka-mount sa isang flow cell at nag-oxidize ng sulfur dioxide sa boltahe na 0.65V. Ang nilalaman ng sulfur dioxide ay ipinahiwatig. Ang sensing device ay nagpapakita ng mataas na kasalukuyang sensitivity, isang maikling oras ng pagtugon, mahusay na katatagan, mababang ingay sa background, isang linear na hanay na 0.2 mmol/L, isang limitasyon sa pagtuklas na 8*10-6 mmol/L, at isang signal-to-noise ratio ng 3.

Ang sensor ay hindi lamang makakakita ng sulfur dioxide sa hangin, ngunit magagamit din upang makita ang sulfur dioxide sa mababang conductivity na likido. Ang gas-sensitive coating ng organically modified silicate thin film sulfur dioxide gas sensor ay gawa-gawa gamit ang sol-gel process at spin technology. Ang coating na ito ay nagpapakita ng mahusay na reproducibility at reversibility sa sulfur dioxide determination, na may mabilis na oras ng pagtugon na wala pang 20 segundo. Bukod pa rito, nagpapakita ito ng kaunting pakikipag-ugnayan sa iba pang mga gas at hindi gaanong naiimpluwensyahan ng mga pagbabago sa temperatura at halumigmig.