Що ви знаєте про електрохімічні сенсори Україна

Електрохімічний датчик – це тип датчика, який покладається на електрохімічні властивості аналіту для перетворення хімічної кількості в електричну величину для зондування та виявлення.

Найперші електрохімічні датчики датуються 1950-ми роками, коли їх використовували для моніторингу кисню. І до 1980-х років, коли вони використовувалися для моніторингу широкого спектру токсичних газів і показали хорошу чутливість і вибірковість.

Ⅰ. Принцип роботи електрохімічного сенсора

 Електрохімічні датчики працюють, вступаючи в хімічну реакцію з вимірюваним газом і виробляючи електричний сигнал, пропорційний концентрації газу. Більшість електрохімічних датчиків газу генерують струм, лінійно пропорційний концентрації газу.

 Електрохімічний датчик газу працює таким чином: молекули цільового газу, що контактують із датчиком, спочатку проходять через діафрагму, яка запобігає конденсації, а також діє як бар’єр для пилу. Потім молекули газу дифундують через капілярну трубку, можливо, через наступний фільтр, а потім через гідрофобну мембрану до поверхні чутливого електрода. Там молекули негайно окислюються або відновлюються, таким чином генеруючи або споживаючи електрони, таким чином генеруючи електричний струм.

 Важливо відзначити, що кількість молекул газу, що потрапляє в датчик таким чином, обмежена дифузією через капіляр. Завдяки оптимізації шляху виходить відповідний електричний сигнал відповідно до бажаного діапазону вимірювання. Конструкція чутливого електрода має важливе значення для досягнення високої чутливості до цільового газу та для придушення небажаних реакцій на заважаючі гази. Він включає в себе триступеневу систему для твердих речовин, рідин і газів, і всі вони включають хімічну ідентифікацію аналізованого газу. Електрохімічна комірка завершується так званим протиелектродом, електродом Cont, який врівноважує реакцію на чутливому електроді. Іонний струм між електродом Cont і електродом Sen транспортується електролітом всередині корпусу датчика, тоді як шлях струму забезпечується через дріт, закінчений контактним роз’ємом. Третій електрод зазвичай включається в електрохімічні датчики (3-електродні датчики). Для підтримки потенціалу чутливого електрода на фіксованому значенні використовується так званий електрод порівняння. Для цього і зазвичай для роботи електрохімічних датчиків потрібен ланцюг постійного потенціалу.

Ⅱ. Компоненти електрохімічного сенсора

Електрохімічний датчик складається з чотирьох ключових компонентів:

1. Дихаючі мембрани (також відомі як гідрофобні мембрани): ці мембрани служать для покриття чутливих (каталітичних) електродів і, у деяких випадках, регулюють молекулярну масу газів, що досягають поверхні електродів. Як правило, ці мембрани виготовляються з тефлонових плівок з низькою пористістю. Коли ці мембрани використовуються для покриття електродів, датчики називаються датчиками з покриттям. Крім того, можна використовувати тефлонову плівку з високою пористістю разом із капіляром для контролю молекулярної маси газу, що досягає поверхні електрода. Ця конфігурація відома як датчик капілярного типу. Окрім механічного захисту датчика, плівка також виконує функцію фільтра, усуваючи небажані частинки. Щоб забезпечити проходження відповідної молекулярної маси газу, вкрай важливо вибрати відповідний розмір отвору як для мембрани, так і для капіляра. Розмір отвору має дозволяти достатній кількості молекул газу досягати чутливого електрода, одночасно запобігаючи витоку або швидкому висиханню рідкого електроліту.

2. Електрод: дуже важливо ретельно вибирати матеріал електрода. Матеріал має бути каталітичним, здатним здійснювати напівелектролітичну реакцію протягом тривалого періоду часу. Як правило, електроди виготовляють із дорогоцінних металів, таких як платина чи золото, які ефективно реагують із молекулами газу шляхом каталізу. Залежно від конструкції датчика, три електроди можуть бути виготовлені з різних матеріалів для полегшення реакції електролізу.

3. Електроліт: електроліт повинен бути здатним сприяти електролітичним реакціям і ефективно передавати іонний заряд електроду. Він також повинен формувати стабільний еталонний потенціал з еталонним електродом і бути сумісним з матеріалами, які використовуються в датчику. Крім того, швидке випаровування електроліту може призвести до ослаблення сигналу датчика, потенційно погіршуючи його точність і надійність.

4. Фільтри: іноді скруберні фільтри розташовують перед датчиком для видалення небажаних газів. Вибір фільтрів обмежений, кожен тип демонструє окремий рівень ефективності. Активоване вугілля є найпоширенішим фільтруючим матеріалом, який ефективно фільтрує більшість хімічних речовин, за винятком чадного газу. Завдяки ретельному вибору відповідного фільтруючого середовища електрохімічні датчики досягають підвищеної селективності щодо призначених для них газів.

Ⅲ. Класифікація електрохімічного сенсора

Існує багато способів класифікації електрохімічних датчиків. Залежно від змінних вихідних сигналів їх можна розділити на потенціометричні датчики, амперометричні датчики та кондуктометричні датчики.

Відповідно до речовин, які виявляються електрохімічними датчиками, електрохімічні датчики можна в основному класифікувати на іонні датчики, газові датчики та біосенсори.

Ⅳ. Основні властивості та фактори впливу

1. Чутливість

Основні фактори, що впливають на чутливість, включають: активність каталізатора, забір повітря, провідність електроліту та температуру навколишнього середовища.

2. Відновлення відповіді

Основними факторами, які впливають на швидкість відновлення реакції, є активність каталізатора, провідність електроліту, структура газової камери, властивості газу тощо.

3. Вибірковість/перехресна інтерференція

Основними факторами, що впливають на селективність, є тип каталізатора, електроліт, напруга зміщення, фільтр тощо.

4. Повторюваність/Довгострокова стабільність

Фактори, що впливають на повторюваність, включають: стабільність структури електрода, стабільність електроліту, стабільність газового контуру тощо.

5、Висока та низька температура

Фактори, що впливають на стабільність при високих і низьких температурах, включають: активність каталізатора, стабільність структури електрода та характеристики газу.

V. Чотири основні застосування електрохімічних сенсорів

Електрохімічні датчики широко використовуються в промислових і цивільних сферах виявлення газу, можуть виявляти озон, формальдегід, оксид вуглецю, аміак, сірководень, діоксид сірки, діоксид азоту, кисень та інші гази, які зазвичай використовуються в портативних приладах і приладах онлайн-контролю газу.

1. Датчик вологості

Вологість є важливим показником повітряного середовища, вологість повітря та людське тіло має тісний зв’язок між теплом випаровування, високою температурою та високою вологістю, через те, що людське тіло важко випаровувати воду та відчуває себе задушливим, низькою температурою та висока вологість, процес розсіювання тепла людського тіла є інтенсивним, легко викликати застуду та обмороження. Оптимальна температура для людського тіла – 18–22℃, відносна вологість – 35–65%. У моніторингу навколишнього середовища та здоров’я він зазвичай використовується в термогігрометрах із вологою термометром, ручних гігрометрах, вентиляційних гігрометрах та інших приладах для визначення вологості повітря.

В останні роки з'явилася велика кількість літературних повідомлень про використання датчиків для визначення вологості повітря. П’єзоелектричні кварцові кристали з покриттям, які використовуються для визначення відносної вологості, перетворюються на малі кварцові п’єзоелектричні кристали за допомогою фотолітографії та методів хімічного травлення, а на кристали кварцу AT-вирізу 10 МГц, які мають високу чутливість до вологості, наносять чотири речовини. Кристал є резонатором у коливальному контурі, частота якого змінюється залежно від маси, і, вибравши відповідне покриття, датчик можна використовувати для визначення відносної вологості різних газів. Чутливість, лінійність відгуку, час відгуку, вибірковість, гістерезис і термін служби датчика залежать від природи хімічних речовин покриття.

2、Датчик оксиду азоту

Оксид азоту – це різновид оксидів азоту, що складається із суміші газів, часто виражається як NOX. У оксиду азоту хімічна стабільність різних форм оксиду азоту різна, повітря часто поділяють на відносно стабільні хімічні властивості монооксиду азоту та діоксиду азоту, їхнє значення в гігієні видається більш важливим, ніж інші форми оксиду азоту.

В екологічному аналізі оксид азоту зазвичай відноситься до діоксиду азоту. Стандартним методом Китаю для моніторингу оксидів азоту є колориметричний метод гідрохлориду нафталіну етилендіаміну, чутливість методу становить 0.25 мкг/5 мл, на коефіцієнт перетворення впливає склад абсорбуючого розчину, концентрація діоксиду азоту, швидкість збирання газу, структура поглинаючої труби, співіснування іонів і температури та багато інших факторів, які не є повністю єдиними. Сенсорне визначення є новим методом, розробленим в останні роки.

3、Датчик сірководню

Сірководень — безбарвний горючий газ із особливим запахом тухлих яєць, що викликає подразнення та задушливість, шкідливий для організму людини. Більшість методів використовують калориметрію та газову хроматографію для визначення сірководню в повітрі. Визначення забруднювачів повітря, вміст яких часто становить лише мг/м3, є одним із основних застосувань газових датчиків, але напівпровідникові газові датчики не в змозі задовольнити вимоги чутливості та селективності для моніторингу певних забруднюючих газів за короткий проміжок часу. часу.

Тонкоплівкова сенсорна матриця, легована сріблом, складається з чотирьох датчиків, які одночасно реєструють концентрації діоксиду сірки та сірководню за допомогою універсального аналізатора на основі кулонометричного титрування та сигналів від масиву напівпровідникових газових сенсорів. Практика показала, що леговані сріблом тонкоплівкові датчики, які використовуються при 150 °C у режимі постійної температури, ефективні для моніторингу вмісту сірководню в міському повітрі.

4. Датчик діоксиду сірки

Діоксид сірки є однією з основних речовин, що забруднюють повітря, і виявлення діоксиду сірки в повітрі є регулярною частиною тестування повітря. Застосування датчиків у моніторингу діоксиду сірки показало велику перевагу, від скорочення часу виявлення до зниження межі виявлення. Тверді полімери використовуються як іонообмінні мембрани, одна сторона мембрани містить внутрішні електроліти для протилежного та порівняльного електродів, а платиновий електрод вставляється з іншої сторони для формування датчика діоксиду сірки. Датчик встановлений у проточній кюветі та окислює діоксид сірки під напругою 0.65 В. Потім вказується вміст діоксиду сірки. Датчик має високу струмову чутливість, короткий час відгуку, хорошу стабільність, низький фоновий шум, лінійний діапазон 0.2 ммоль/л, межу виявлення 8*10-6 ммоль/л і співвідношення сигнал/шум з 3.

Датчик може не тільки виявляти діоксид сірки в повітрі, але також використовуватися для виявлення діоксиду сірки в рідині з низькою електропровідністю. Газочутливе покриття органічно модифікованого силікатного тонкоплівкового датчика газу діоксиду сірки було виготовлено з використанням золь-гель процесу та технології обертання. Це покриття демонструє чудову відтворюваність і оборотність у визначенні діоксиду сірки з швидким часом відгуку менше 20 секунд. Крім того, він демонструє мінімальну взаємодію з іншими газами та мінімально піддається впливу змін температури та вологості.