Elektrokimyasal sensörler hakkında ne biliyorsunuz? Türkiye

Elektrokimyasal sensör, kimyasal miktarı algılama ve tespit amacıyla elektriksel bir miktara dönüştürmek için analitin elektrokimyasal özelliklerine dayanan bir sensör türüdür.

En eski elektrokimyasal sensörler, oksijen izleme için kullanıldıkları 1950'li yıllara dayanmaktadır. Ve 1980'li yıllara kadar, çok çeşitli zehirli gazları izlemek için kullanıldıkları ve iyi bir hassasiyet ve seçicilik gösterdikleri zaman.

Ⅰ. Elektrokimyasal sensörün çalışma prensibi

 Elektrokimyasal sensörler, ölçülen gazla kimyasal reaksiyona girerek gaz konsantrasyonuyla orantılı bir elektrik sinyali üreterek çalışır. Çoğu elektrokimyasal gaz sensörü, gaz konsantrasyonuyla doğrusal orantılı olan akım üretir.

 Elektrokimyasal gaz sensörü şu şekilde çalışır: Sensörle temas eden hedef gaz molekülleri öncelikle yoğuşmayı önleyen ve aynı zamanda toz bariyeri görevi gören bir diyaframdan geçer. Daha sonra gaz molekülleri kılcal bir tüpten, muhtemelen sonraki bir filtreden ve ardından hidrofobik bir zardan geçerek algılama elektrodunun yüzeyine yayılır. Orada moleküller hemen oksitlenir veya indirgenir, böylece elektronlar üretilir veya tüketilir, böylece bir elektrik akımı üretilir.

 Sensöre bu şekilde giren gaz moleküllerinin miktarının kılcal damardan difüzyonla sınırlı olduğuna dikkat etmek önemlidir. Yolu optimize ederek istenilen ölçüm aralığına göre uygun bir elektrik sinyali elde edilir. Algılama elektrodunun tasarımı, hedef gaza yüksek tepki verme yeteneği elde etmek ve girişim yapan gazlara karşı istenmeyen tepkileri bastırmak için gereklidir. Katılar, sıvılar ve gazlar için üç aşamalı bir sistem içerir ve bunların tümü analit gazının kimyasal olarak tanımlanmasını içerir. Elektrokimyasal hücre, algılama elektrotundaki reaksiyonu dengeleyen karşıt elektrot olarak adlandırılan Cont elektrot ile tamamlanır. Cont elektrodu ile Sen elektrodu arasındaki iyonik akım, sensör gövdesi içindeki elektrolit tarafından taşınırken, akım yolu, bir pin konektörüyle sonlanan bir tel aracılığıyla sağlanır. Elektrokimyasal sensörlere (3 elektrotlu sensörler) genellikle üçüncü bir elektrot eklenir. Algılayıcı elektrotun potansiyelini sabit bir değerde tutmak için referans elektrot adı verilen bir elektrot kullanılır. Bu amaçla ve genellikle elektrokimyasal sensörlerin çalışması için sabit bir potansiyel devresi gereklidir.

Ⅱ. Bir elektrokimyasal sensörün bileşenleri

Elektrokimyasal sensör aşağıdaki dört temel bileşenden oluşur:

1. Nefes alabilen membranlar (hidrofobik membranlar olarak da bilinir): Bu membranlar, algılayıcı (katalitik) elektrotları kaplamaya ve bazı durumlarda elektrot yüzeyine ulaşan gazların moleküler ağırlığını düzenlemeye yarar. Tipik olarak bu membranlar düşük gözenekliliğe sahip Teflon filmlerden üretilir. Bu membranlar elektrotları kaplamak için kullanıldığında sensörlere kaplamalı sensörler adı verilir. Alternatif olarak, elektrot yüzeyine ulaşan gazın moleküler ağırlığını kontrol etmek için yüksek gözenekli bir Teflon film, bir kılcal ile birlikte kullanılabilir. Bu konfigürasyon kılcal tip sensör olarak bilinir. Film, sensör için mekanik koruma sağlamanın yanı sıra, istenmeyen parçacıkları ortadan kaldıran bir filtre görevi de görür. Gazın uygun moleküler ağırlığının geçmesine izin verildiğinden emin olmak için hem membran hem de kılcal için uygun açıklık boyutunun seçilmesi çok önemlidir. Delik boyutu, sıvı elektrolitin sızıntısını veya hızlı kurumasını önlerken yeterli gaz moleküllerinin algılama elektroduna ulaşmasına izin vermelidir.

2. Elektrot: Elektrot malzemesinin dikkatli seçilmesi çok önemlidir. Malzeme katalitik olmalı ve uzun bir süre boyunca yarı elektrolitik reaksiyon gerçekleştirebilme kapasitesine sahip olmalıdır. Tipik olarak elektrotlar, kataliz yoluyla gaz molekülleriyle verimli bir şekilde reaksiyona giren platin veya altın gibi değerli metallerden yapılır. Sensörün tasarımına bağlı olarak, elektroliz reaksiyonunu kolaylaştırmak için üç elektrot farklı malzemelerden yapılabilir.

3. Elektrolit: Elektrolit, elektrolitik reaksiyonları kolaylaştırabilmeli ve iyonik yükü elektroda verimli bir şekilde aktarabilmelidir. Ayrıca referans elektrodu ile stabil bir referans potansiyeli oluşturmalı ve sensör içerisinde kullanılan malzemelerle uyumlu olmalıdır. Ayrıca, elektrolitin hızlı buharlaşması sensör sinyalinin zayıflamasına yol açarak doğruluğunu ve güvenilirliğini tehlikeye atabilir.

4. Filtreler: İstenmeyen gazları gidermek için bazen sensörün önüne temizleyici filtreler yerleştirilir. Filtrelerin seçimi sınırlıdır ve her tip farklı bir verimlilik düzeyi sergiler. Aktif karbon, karbon monoksit hariç çoğu kimyasalı etkili bir şekilde filtreleyen, en yaygın kullanılan filtre malzemesidir. Elektrokimyasal sensörler, uygun filtre ortamının dikkatli bir şekilde seçilmesiyle amaçlanan gazlara karşı yüksek bir seçicilik elde eder.

Ⅲ. Elektrokimyasal Sensörün Sınıflandırılması

Elektrokimyasal sensörleri sınıflandırmanın birçok yolu vardır. Değişen çıkış sinyallerine bağlı olarak potansiyometrik sensörler, amperometrik sensörler ve kondüktometrik sensörler olarak ayrılabilirler.

Elektrokimyasal sensörler tarafından tespit edilen maddelere göre elektrokimyasal sensörler temel olarak iyon sensörleri, gaz sensörleri ve biyosensörler olarak sınıflandırılabilir.

Ⅳ. Ana Özellikler ve Etkileyen Faktörler

1. Hassasiyet

Hassasiyeti etkileyen ana faktörler şunları içerir: katalizör aktivitesi, hava girişi, elektrolit iletkenliği ve ortam sıcaklığı.

2. Yanıt kurtarma

Tepki toparlanma hızını etkileyen ana faktörler katalizör aktivitesi, elektrolit iletkenliği, gaz odası yapısı, gaz özellikleri vb.'dir.

3. Seçicilik/Çapraz girişim

Seçiciliği etkileyen ana faktörler arasında katalizör tipi, elektrolit, ön gerilim, filtre vb. yer alır.

4. Tekrarlanabilirlik/Uzun vadeli stabilite

Tekrarlanabilirliği etkileyen faktörler şunları içerir: elektrot yapısı stabilitesi, elektrolit stabilitesi, gaz devresi stabilitesi vb.

5、Yüksek ve düşük sıcaklık performansı

Yüksek ve düşük sıcaklık stabilitesini etkileyen faktörler şunları içerir: katalizör aktivitesi, elektrot yapısı stabilitesi ve gaz özellikleri.

V. Elektrokimyasal sensörlerin dört ana uygulaması

Elektrokimyasal sensörler, endüstriyel ve sivil gaz algılama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır; ozon, formaldehit, karbon monoksit, amonyak, hidrojen sülfit, kükürt dioksit, nitrojen dioksit, oksijen ve diğer gazları tespit edebilir, yaygın olarak taşınabilir enstrümantasyonda ve gaz çevrimiçi izleme enstrümantasyonunda kullanılır.

1. Nem Sensörü

Nem, hava ortamının önemli bir göstergesidir, havanın nemi ve insan vücudunun buharlaşma ısısı, yüksek sıcaklık ve yüksek nem arasında yakın bir ilişkisi vardır, insan vücudunun su buharlaşmasında zorluk yaşaması ve havasız, düşük sıcaklık ve düşük sıcaklık hissi vermesi nedeniyle yüksek nem, insan vücudunun ısı yayılım süreci yoğundur, soğuk algınlığına ve donmaya neden olması kolaydır. İnsan vücudu için en uygun sıcaklık 18~22°C, bağıl nem ise %35~%65 bağıl nemdir. Çevre ve sağlık izlemede, hava nemini belirlemek için ıslak termometre termo higrometresi, el kranklı higrometre ve havalandırma higrometresi ve diğer cihazlarda yaygın olarak kullanılır.

Son yıllarda hava nemini belirlemek için sensörlerin kullanımına ilişkin çok sayıda literatür raporu bulunmaktadır. Bağıl nemin belirlenmesinde kullanılan kaplanmış piezoelektrik kuvars kristalleri, fotolitografi ve kimyasal aşındırma teknikleriyle küçük kuvars piezoelektrik kristalleri haline getirilir ve neme karşı kütle duyarlılığı yüksek olan AT-cut 10 MHz kuvars kristalleri üzerine dört madde kaplanır. Kristal, frekansı kütleye göre değişen bir salınım devresindeki bir rezonatördür ve uygun kaplama seçildiğinde sensör, farklı gazların bağıl nemini belirlemek için kullanılabilir. Sensörün hassasiyeti, tepki doğrusallığı, tepki süresi, seçiciliği, histerezisi ve ömrü kaplama kimyasallarının yapısına bağlıdır.

2、Azot oksit sensörü

Azot oksit, genellikle NOX olarak ifade edilen, gaz karışımından oluşan çeşitli nitrojen oksitlerdir. Nitrojen oksitte, nitrojen oksitin farklı formlarının kimyasal stabilitesi farklıdır, hava genellikle nitrojen monoksit ve nitrojen dioksitin nispeten stabil kimyasal özelliklerine bölünür, bunların hijyendeki önemi diğer nitrojen oksit formlarından daha önemli görünmektedir.

Çevresel analizde nitrojen oksit genel olarak nitrojen dioksiti ifade eder. Çin'in nitrojen oksitleri izlemeye yönelik standart yöntemi, naftalin etilendiamin hidroklorürün kolorimetrik yöntemidir, yöntemin hassasiyeti 0.25ug/5ml'dir, dönüşüm katsayısı yöntemi, emici çözeltinin bileşiminden, nitrojen dioksit konsantrasyonundan, hızdan etkilenir. gaz toplama, soğurucu tüpün yapısı, iyonların ve sıcaklığın bir arada bulunması ve diğer birçok faktör tamamen birleşik değildir. Sensör tespiti son yıllarda geliştirilen yeni bir yöntemdir.

3、Hidrojen Sülfür Gazı Sensörü

Hidrojen sülfür, tahriş edici, boğucu ve insan vücuduna zararlı, özel çürük yumurta kokusuna sahip, renksiz, yanıcı bir gazdır. Çoğu yöntem, havadaki hidrojen sülfürü belirlemek için kalorimetri ve gaz kromatografisini kullanır. İçeriği genellikle mg/m3 düzeyine kadar düşük olan hava kirleticilerin belirlenmesi, gaz sensörlerinin ana uygulamalarından biridir ancak yarı iletken gaz sensörleri, belirli kirletici gazların kısa sürede izlenmesi için hassasiyet ve seçicilik gereksinimlerini karşılayamamaktadır. zamanın.

Gümüş katkılı ince film sensör dizisi, kulometrik titrasyonu temel alan evrensel bir analizör ve yarı iletken gaz sensörü dizisinden gelen sinyalleri kullanarak kükürt dioksit ve hidrojen sülfit konsantrasyonlarını eşzamanlı olarak kaydeden dört sensörden oluşur. Uygulama, 150 °C'de sabit sıcaklıkta kullanılan gümüş katkılı ince film sensörlerin kentsel havadaki hidrojen sülfür içeriğini izlemede etkili olduğunu göstermiştir.

4. Kükürt Dioksit Sensörü

Kükürt dioksit, havayı kirleten ana maddelerden biridir ve havadaki kükürt dioksitin tespiti, hava testlerinin düzenli bir parçasıdır. Kükürt dioksitin izlenmesinde sensörlerin uygulanması, tespit süresinin kısaltılmasından tespit limitinin düşürülmesine kadar büyük bir üstünlük göstermiştir. Katı polimerler, iyon değişim membranları olarak kullanılır; membranın bir tarafı sayaç ve referans elektrotları için dahili elektrolitleri içerir ve diğer tarafına kükürt dioksit sensörünü oluşturmak için bir platin elektrot yerleştirilir. Sensör bir akış hücresine monte edilmiştir ve 0.65V voltajda kükürt dioksiti oksitler. Daha sonra kükürt dioksit içeriği gösterilir. Algılama cihazı, yüksek akım hassasiyeti, kısa tepki süresi, iyi stabilite, düşük arka plan gürültüsü, 0.2 mmol/L doğrusal aralık, 8*10-6 mmol/L algılama sınırı ve sinyal-gürültü oranı sergiler. 3.

Sensör yalnızca havadaki kükürt dioksiti tespit etmekle kalmaz, aynı zamanda düşük iletkenliğe sahip sıvıdaki kükürt dioksiti tespit etmek için de kullanılabilir. Organik olarak değiştirilmiş silikat ince film kükürt dioksit gaz sensörünün gaza duyarlı kaplaması, sol-jel işlemi ve döndürme teknolojisi kullanılarak üretildi. Bu kaplama, 20 saniyeden kısa hızlı tepki süresiyle kükürt dioksit belirlemede mükemmel tekrarlanabilirlik ve tersine çevrilebilirlik sergiler. Ayrıca diğer gazlarla minimum etkileşim gösterir ve sıcaklık ve nemdeki değişikliklerden minimum düzeyde etkilenir.