室內空氣質量監測儀中電化學傳感器的應用

高雅娟

摘 要：便攜式的電化學傳感器被用來方便探測甲醛氣體，這種傳感器有三電極，質量輕，成本低，反應靈敏，無需化學試劑而造成二次污染等優點。

關鍵詞：電化學氣體傳感器；無需化學試劑；應用

中圖分類號：X851 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0165-02

引言

甲醛被認為是主要的污染物之一，就是因為它的高毒性和潛在的致癌性，甲醛產生的來源有很多，比如工業，交通，森林火災，以及吸煙產生的煙霧。它也可能從不同的物體內散發出來，比如新的家具和高分子材料在降解的過程中，因此，它也可以作為材料降解過程中的標志分子。

甲醛檢測最常用的分析方法利用液相質譜結合2，4-二硝基苯肼衍生的方法。盡管這種方法可靠精確，但是他需要相對較貴的儀器而且只能在實驗室完成[1]。因此，新型的甲醛探測方法和甲醛探測器的發展也就成了一個比較吸引人的課題。已經存在的傳感器的測量原理，從能譜測量到電阻式測量，再到比色法，而后者是現在最廣泛被研究的。金屬氧化物薄膜和納米金屬氧化物通常被用在傳感器的圖層上。盡管，使用這種放的靈敏度很高，但是，它本質的缺陷是需要高溫，在濕潤的環境下，測量不準。為了克服高溫下的操作問題，導電聚合物圖層被引入用來探測揮發性有機物，比如甲醛。

經過對比國內國外的電化學傳感器，從價格，分辨率，精度等方面考慮，而后選擇了國內鄭州煒盛公司的傳感器，足以滿足室內測量監測的要求。

1 電化學氣體傳感器介紹

甲醛氣體傳感器有很多種類型，有熱導式，電導式，比色式，通常包括酶甲醛脫氫酶，然而，由于潛在的穩定性問題，對于其使用并不是在所有條件和環境下都合適。而無酶的電化學傳感器性能提升了很多，也使得其開始被廣泛關注，盡管這種傳感器還比較少。

現有一種室溫伏安的多功能聚合物傳感層甲醛氣體傳感器，這是一種合成聚合物傳感涂層，其結合了分析積累能力，其衍生物通過眾所周知的肼反應，同時其作用是用伏安測量聚合物電解質。

電化學氣體傳感器按照工作原理可以分為以下幾種類型：燃料電池型氣體傳感器，極限電流型氣體傳感器，濃差電池型氣體傳感器。

2 電化學氣體傳感器的選型

商用絲網印刷電極用來當作底座，與碳工作和對電極，以及銀準參考電極。電化學電池由三個內部合成傳感涂層的電極組成，這三個涂層作為分析物衍生媒介以及高分子電解質，三電極的系統涂有20 L of 1% HPA or PAA解決方案，一夜之間干，所有的解決方案都使用了Milli-Q水，聚丙烯酸用來接收和溶解在水中，離子聚丙烯酸酯在實驗室中被準備用來先溶解水中的聚丙烯酸，隨后，用克分子數相等的數量水合肼來中和它。循環伏安測量方法使用Autolab PGSTAT 30來運行。

2.1 臭氧電化學氣體傳感器

臭氧的測量是空氣質量和許多大氣化學實驗的關鍵部分，傳統的臭氧監測機制基于紫外吸收，相對較貴，并且有一定高的能量的損耗，限制了固定的地點，而電化學傳感器僅僅需要5v的直流電，總共的耗電量還不到5W。總重量不超過1公斤，這種電化學傳感器產生的電壓信號一定比例于臭氧的濃度，其范圍是5-10ppm。兩個臭氧傳感器的性能有很好的線性度。傳感器的校準和靈敏度受到相對濕度和氣體樣本的流動率的影響，被分開進行。線性校準曲線表明傳感器的性能完全相同，即使是在不同的濕度和流動率，為了要補償傳感器的基準漂移而調零的過程中。快速的濕度變化（～20%/min）會在傳感器信號中產生顯著立刻的變化，傳感器需要大概40分鐘的時間來恢復到原始值。相反，慢速的濕度變化對傳感器響應有微弱的影響。為了檢測小型化臭氧儀的性能，臭氧儀被用在實驗室來檢測臭氧損耗，通過海水吸收和空氣質量檢測18天，研究表明，臭氧被海水吸收是線性于海水表面微層的亞油酸的。18天中從臭氧傳感器中檢測到的數據與使用紫外吸收法得到的數據具有很好的一致性。

2.2 甲醛電化學氣體傳感器

本文選擇的電化學甲醛傳感器ME3M-CH2O，其分辨率可達0.02ppm，當傳感器暴露在甲醛氣體中的時候，甲醛氣體傳感器使用絲網印刷碳電極作為基底，工作電極響應甲醛氣體，其表面使用改進的聚丙烯酸離子傳感層，生成和甲醛氣體濃度成比例的極小電流，聚丙烯酸離子用來收集甲醛，同時，也是聚合電極，根據甲醛傳感器的結構可知，工作電極與對電極同時浸入到電解液中時，通過測試電流的大小就可判定 CH2O 濃度的高低。每ppm甲醛氣體輸出1.1±0.5uA電流，在經過電流電壓轉換后得到AD轉換器可以接收的模擬電壓值。外加電壓會使得兩電極間產生極化[2]。定電位電化學型甲醛傳感器有三個電極，圖1為其結構圖。

在甲醛傳感器中，以及催化劑鎳、釕、鉑等金屬粒子的作用下，酸性電解液的電解池內，甲醛氣體向工作電極擴散，而發生氧化還原反應[3]。

2.3 CO電化學氣體傳感器

CO傳感器主要有可變電阻式以及電化學式兩種類型。CO傳感器選用的鄭州煒盛電子科技有限公司的ME2-CO，其中可變電阻式CO傳感器應用高低溫循環方式，1000ppm的大量程，高溫清洗低溫時吸附的雜散氣體，因為采用的氣敏材料在清潔空氣中電導率低，通過電路把電導率的變化對應到一氧化碳氣體濃度，然后輸出相應的電信號；當室內氣體超過300ppm時，說明可燃氣體泄漏，實時報警。低溫檢測一氧化碳，隨空氣中的一氧化碳氣體濃度增加，一氧化碳傳感器的電導率增大[4]。

綜上所述，其實反應狀態如圖2所示。

2.4 氨氣電化學氣體傳感器

本文選擇的氨氣傳感器和甲醛傳感器一樣，選用的鄭州煒盛電子科技有限公司的ME4-NH3，0.12±0.03uA/ppm電流輸出，同為電化學式傳感器。空氣中壽命2年，分辨率為0.1ppm。

2.5 甲烷電化學氣體傳感器

本文選取的是鄭州煒盛公司的MC112型號，MC112有四個引腳，甲烷傳感器的應用電路如圖3所示。引腳包括表面涂有催化劑的檢測器件D和表面沒有涂催化劑的補償器件C，這兩個檢測器件構成了電橋的兩臂，外加上阻值為兩個2K？贅和一個500？贅的電阻構成了回路，以便回路中的工作電流不會因過大導致元件燒毀。

在應用電路中，傳感器所工作的電橋需要3V的直流工作電壓，為傳感器在接觸甲烷氣體時能夠提供燃燒需要的熱量[5]。此時補償器件C無反應，電阻率，溫度以及電橋輸出電壓都不會變化，但是檢測器件的電阻率，溫度以及電橋輸出電壓都會發生變化，這個變化反應了空氣中甲烷氣體的濃度值。

本文選取的是鄭州煒盛公司的MC112型號，它屬于載體催化氣敏元件，MC112催化燃燒式甲烷傳感器，由圖可知，在低濃度時，傳感器的線性度很好。甲烷傳感器的靈敏度特性如圖4所示。

3 結束語

本文介紹了應用在室內空氣質量儀中的電化學氣體傳感器，這四款傳感器體積小，質量輕，能夠解決現有的氣體監測依靠化學方法而造成的周期長，操作復雜等麻煩，使得室內空氣的實時監測成為未來發展的一種趨勢。

參考文獻：

[1]崔九思.室內空氣污染監測方法[M].北京：化學工業出版社，2002：1-110.

[2]裴志剛，朱立.室內裝修甲醛的危害及測量方法[J].實驗技術與管理，2005，22（6）：127.

[3]溫衛敏.室內有毒氣體監測系統研制[D].西安科技大學，2008：30-32.

[4]劉義和.室內環境檢測存在的問題及防治對策探析[J].科學之友，2010，10（5）：140-141.

[5]楊發盛.基于接觸燃燒式CH_4傳感器的報警器研制[D].吉林大學，2013：100-110.