Sensor Multicomponente

5
New approaches for developing transient electrochemical multi-component gas sensors Zhong-Bai Zhou * , Liang-Dong Feng, Wen-Jun Liu, Zhi-Gang Wu Department of Chemistry, Wuhan University, Wuhan 430072, PR China Abstract According to the thin-layer electrochemistry and transient electrochemistry principles, both all-new approaches for developing transient electrochemical multi-component gas sensors Ð ``porous thin-layer electrode coulometry PTLEC)'' and ``modulated pulse potential amperometry MPPA)'' were proposed in this paper. As compared with steady electrochemical methods for conventional electrochemical gas sensors, they have made a new breakthrough in optimizing the gas sensing performance characteristics and developing the sensor functions, as illustrated by the case of detection of O 2 N 2 O gas anaesthetic) and O 2 CO 2 biorespiratory gases) gas mixtures. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Porous thin-layer electrode coulometry PTLEC); Modulated pulse potential amperometry MPPA); Transient electrochemistry; Thin-layer cell; Multi-component gases 1. Introduction The currently successful electrochemical gas sensors are mostly steady-type, or rather, the response of these sensors is measured with steady electrochemical methods under steady operating state, such as Clark electrode-type amperometric gas sensors and Nernst's potentiometric gas sensors. As a result, the further improvement of sensor characteristics is restricted by such a ``steady-state''. And usually, this kind of steady electrochemical gas sensors is only able to detect single gas component. In order to optimize the electrochemical sensor perfor- mance characteristics and to develop the sensor functions, we report here both all-new approaches for developing transient electrochemical multi-component gas sensors Ð ``porous thin-layer electrode coulometry PTLEC)'' and ``modulated pulse potential amperometry MPPA)'' that work on the thin-layer electrochemistry and transient elec- trochemistry principles, respectively. The multi-component gas-sensing characteristics as well as the transient electro- chemical sensing mechanisms of both the new approaches are discussed. 2. Experimental The working electrode used in the PTLEC was con- structed by using a hydrophobic porous thin-layer <0.5 mm) gas electrode. It consists of a hydrophobic porous layer made from a mixture of te¯on and acetylene black, a thin hydrophilic layer of catalyst, and a current collector between both layers. The actual experimental apparatus is shown schematically in Fig. 1. The principle of operation of such a porous thin-layer electrode PTLE) is also illustrated in the same ®gure. The PTLE is ®rst exposed to the gas samples 1±2 s) so that the composition of the gas within the pores of the electrode becomes in equilibrium with the environment. Then the electrolyte level is raised with the help of a leveling bulb until the PTLE is fully immersed, and the electrochemical measurement is carried out at ambient temperature. Voltammograms of the PTLE were recorded with the common LPSV linear potential scan voltammetry) technique. The amount of charge consumed in exhaustive electrolysis Q R I dt was obtained by integration of the peak area in the Current I)±time t) curves. The MPPA were established by combining computer- controlled fast modulated potential technique with micro- electrode method. A block diagram of the measuring unit used in this study is outlined in Fig. 2. The works were performed with the experimental set-up controlled by a computer via a AD/DA converter. The controlling and measuring software programs for the approach were written Sensors and Actuators B 76 2001) 605±609 * Corresponding author. Tel.: 86-27-87882661; fax: 86-27-87882661. E-mail address: [email protected] Z.-B. Zhou). 0925-4005/01/$ ± see front matter # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0925-400501)00654-2

description

sensor

Transcript of Sensor Multicomponente

Page 1: Sensor Multicomponente

��� �������� ��� �� ������� �������� ����������������������������� �� ����

�������� ����� ���������� ����� ������� ���� ������� ������������ ���� ����� ����� �� ���� ��� ����� ������� �� �� ��

��������

�������� �� �� ������!�� �������������! ��� �������� �������������! ���������� "�� ������� �������� ��� �� ������� ��������

�������������� ��������������� �� ���� # $$����� ������!�� ��������� ���������! %&'�()*++ ��� $$��������� ���� ���������

����������! %,&& *++ ���� ������� �� �� �����- �������� ��� ����! �������������� ����� ��� ��� �������� ��������������

�� ����� ��! � � ���� � ��� "���.����� �� ������/��� �� �� ����� ����������� ������������ ��� �� ������� �� ����

��������� � ���������� "! �� ��� �� ��������� �� 01 � �10 %�� ���������* ��� 01 � )01 %"�����������! ���* �� ��2����-� 1334 (�� ��� 5������ �-6- �� ���� ���� ��-

�������� &���� ������!�� ��������� ���������! %&'�()*7 ,�������� ���� ��������� ����������! %,&& *7 '������� �������������!7 '�����!�� ����7

,�������������� ���

� ���� ������

'� ��������! ������� �������������� �� ���� ���

����! ����!��!��� �� ������ �� ������ �� ��� ���� �

������� ��� ����! �������������� ����� ����� ����!

��������� ����� �� � )���. �����������!�� ������������

�� ���� ��� �����+ �������������� �� ����- �

������ �� ������ ����� ����� �� ���� ������������ �

��������� "! �� � $$����!�����++- �� �����!� �� .��� ��

����! �������������� �� ���� � ���! �"�� �� ������

����� �� ���������-

8� ����� �� ������/� �� �������������� ���� �������

����� ������������ ��� �� �� ���� �� ���� ���������

�� ������ ��� "�� ������� �������� ��� �� �������

�������� �������������� ��������������� �� ���� #

$$����� ������!�� ��������� ���������! %&'�()*++ ���

$$��������� ���� ��������� ����������! %,&& *++ ���

���. �� �� ������!�� �������������! ��� �������� �����

���������! ���������� ������� ��!- '� ���������������

�������� ������������ � ���� � �� �������� ��������

������� ����� ������� �� "�� �� ��� ��������

��� ������-

� ������������

'� ���.��� ��������� ��� �� �� &'�() �� ����

������� "! ���� � !�����"�� ����� ������!��

%93-: ��* �� ���������- 8� ����� �� � !�����"�� �����

��!�� ���� ���� � ��2���� �� ��;�� ��� ����!���� "���.� �

��� !�������� ��!�� �� �����!�� ��� � ������� ���������

"������ "�� ��!��- '� ������ �2���������� �������� �

��� ����������! �� ���- 4- '� ��������� �� ��������� ��

�� � ����� ������!�� ��������� %&'�(* � ��� ����������

�� �� ��� <����- '� &'�( � <�� �2���� �� �� ��

����� %4=1 * � ��� �� ���������� �� �� �� ����� ��

���� �� �� ��������� "����� �� �>����"���� ��� ��

�� ��������- '�� �� ��������!�� �� �� � ����� ��� ��

��� �� � �� ����� "��" ����� �� &'�( � ����! �������� ���

�� �������������� ���������� � ������� ��� �� ��"����

�����������- 6����������� �� �� &'�( ���� ��������

��� �� ������ �&56 %������ ��������� ��� ���������!*

�����>��- '� ������ �� ����� ������� �� �2���� �

��������!� � �! ��

� ��� �"������ "! ����������� �� ��

���. ���� �� �� )������ %!*=���� %�* ��� �-

'� ,&& ���� ���"���� "! ���"����� ���������

���������� ��� ��������� ��������� �����>�� ��� ������

��������� �����- "���. ������� �� �� �������� ����

��� �� �� ���! � �������� �� ���- 1- '� ���. ����

��������� ��� �� �2���������� ����� ���������� "! �

�������� �� � �?� ��� �����- '� ����������� ���

�������� ������� ������� ��� �� ������� ���� �������

5���� ��� ������� � @A %1334* A3:=A3B

� )����������� �����- '��-C �DA�1@�D@DD1AA47��2C �DA�1@�D@DD1AA4-"#�� $ �������C /"/��E��-���-�� %�-��- ���*-

3B1:�F33:?34?G = �� ����� ������ � 1334 (�� ��� 5������ �-6- �� ���� ���� ��-

&88C 5 3 B 1 : � F 3 3 : % 3 4 * 3 3 A : F � 1

Page 2: Sensor Multicomponente

"! ������- ���- H ��������� �� �������������� �� ��������

��"�������- '� ���.��� ��������� %�(* �� � &� ������

��� ��������� %�������� A3 ��* ����� �� � ��� ���- ��������� &� ���� �� �� � �� �������?��������� ���������

%)(?I(*- '� ��������!�� ��!�� ���.�� �� ��������� ���

����� �-�- �� ������� "������ �� ���.��� ��������� ���

���������"�� ���"���� %����� ���!�����;������!����*�

����� "� ��J���� "! �������� �� ��������� ����� � � ��

�"�� � � ������"�! ��� ������ �����-

'� ��������������� �� ����� ���� �������� ����

01 � �10 ��� �1 �� 01 � )01 ��� �1 �� �� �����! ������� �������� ���4K % ����� ���������� ����� �� �������������� ������� ? *� ������ � �� �� ������� �����-

� ������� �� ���������

�%&% ���� �� �#$���� �$�'���� '�$����� (�)*"�+

8� ���������� �� ������!�� ���� ������� L4�1M ���� "�

�������"�� �� �� ����������� �� �� ���� "! ���"����� �

�� ��������� ��� � ����� ��� ��� � �� ���� ���- '�

������� � ��<��� � �� &'�()- 5���� �� "��� ������

>����� �� � ������!�� �� ��� ��! "� �2����� �

$ � �1���4�1� ���� $ � �� ���� �� ��� ��!��� � ��

�������� ����<����� �� ������ � ����� ��� � �� ��������

�� �� ����������� ��� � ���� ��� �����! � ���� �����

�� ��������� ���� �� �� �� ��� ��� �� �� ��>��� ����

�� ���� "� ����� �� �������� ������!�� �� ���������-

'� ������ ����� ������� "! �� &'�() � � ��������

���.�������� %!*� ��� �� ����� ������ �� ����� % * ����

���� �� �2���� � ��������!� �� �� �� ����� �����

�� ���� �� �� &'�( ���� "� ������������ �� �� ����

���������� �� �� ��������� �����- '� �!����� �������

����� �� �� ��������� �� ��������� 01 � �10 �� ��2�

���� ��� ��� �� ���- F %������������ ��������� ���������

��� �� �� �� �� <���� �������*- '� ��������! �� ��

������ % * �� "�� ��������� ��� �� ����� �� "�

>���� ���������! %���- :*- '� ������! �������� ��� �������

���. ��� � ���������� �� ���� ���.���������� �3-H 6 ���"� ������������� � �� �� �� ��������� ������ ��� ������!

���� ���"��� � �� �� ��������� �� 01 ��� �10- '�� �� �

���"�� �� ���� � ������������� �������� � ����������

����� �������� �� ���� �� ���� �� ��������� ����� �

��������� ����� 4-3=4-: 6 �� �� ���"�� ���- '�� � �� �!�

�� &'�() ������� ����� � ����� ��������� ��� �� �������

�������� �������������� ��������������� �� ����-

����������� �� ����� � ��� ��� ������ ���� ����

�� �� ������������� � ���������� ��������������!� �� �����

����� �� ���� ��� � ��������� �� �������-

���- 4- ������� ��� ��������� �� �� &'�()C %�* # %4* ���.��� ��������� %&'�(*7 %1* ������� ���������7 %H* ��������� ���������7 %F* ��������!��7 %:*

�� ����� "��"7 %A* �� �����7 %@* �� ������� %"* # %4* !�����"�� ��!��7 %1* �����!� ��!��� %�* # %4* ������� �� &'�( ��� �������7 %1* ������� �� &'�( ���

����������-

���- 1- ����. ������� �� �� ,&& -

A3A ,%#-% ,�� �� �$% . /����� ��� 0'������ - �1 (���&+ 1�231�4

Page 3: Sensor Multicomponente

8� ��������� �� ������� �������� �� �� &'�( �� ���

�� � ��� %91 * ��� ���� ����������� ��"����! �� ���

�����! ��;������ "! �� ����� ���� �� ��������- '�

����������� ����<����� �� ����"������ ��� � ��� �� �� �����

�� �3-4 �� �3-HK?�)� ��� � ��� ����� ��� ��� �� ������ "��� �� �� ����!����� �������� ������� �������-

'� ��������� �� �� ����������� ����<����� ��� "�

�2������� "! �� ������������ LHM-

�� ������� ���� � � ������ ��� ��� "� ���������- 8�

�� ��� �� ��������� �� 01 � �10 �� ��2����� � ��������� �� ���� �� � ���� �� ��- 3-HK ��� ��! �� �"�� �� ��

: ���?� N0O ������- '� �2���������� ����������

���������!� � ��� �� ������� ������� �� �� !�����"��

�����2 �� ����� ��.���- '� ����� �� �� ���� �� �� &'�(�

�-�- ��� ������ ������� � �� � ���� ������� �� �� &'�( �

���� ����� �� ��� ����� ��!-

�%�% 5��$���� ��$�� ����� �$ ���������� (5��0+

��� �2����� �� ����� ���������� ��������� �� �������

���! ��� 01 ��� )01� �� ��������� �� ��������� �� �� �

,&& � ����������! ���������� �� ���- A- ���� �� ��

�������?�������������� "�� ��� �� ���2����� !��� ��

"�� 01 ��� )01 LF�:M� �� ������� � ������ ���������

���� ���������=���� �� ����� � �� �!����� �2��������

����� ���� �� ���.��� ���������- 8� �� ������� ������ ��

�� ������� ���� ��������� �"� � �4�A3 6*� ��� �� 01 ��

������! ������� �� �����2��� ��� %01��* �� �����!�����

�2��� %�,50* ������� ���������� 3-4 ���?� �������!����

������ ���������� %'( &*- '� ������� �� �� 01��

������� ����������! ��� �� )01 ������ �� �� �������

�� ��� ��������� �� �� ��������C 1)01 � 101�� )10A

1� � 01- 5��� ���������� ��� �� ������ ����

��������� �"� � �3�F3 6* �� �������� �� ���������

01�� �� �2���/�� �� 01- � �� ��� ����� �� �!�����

���- H- �� �������� ��"������� ��� �� ,&& - %4* )������?���������

���������7 %1* �������� ���.��� ���������7 %H* ��������!��7 %F* ���

������"�� ���"����7 %:* ��������� �����7 %A* ���� "��!7 %@* $0+�����- ���- F- 6����������� �� �� &'�( �� 01 � �10 �� ��2���� %����������������C &�7 ��������� ���������C O�?O�07 ��������!��C : ���?� N0O7

������������!�C &�7 ��� ����C 41 �6?*- %�* &��� 017 %"* :3�01�:3��107 %�* ���� �10-

���- :- I��������� "������ �� ��� ���������� ��� 01 ��� �10-

,%#-% ,�� �� �$% . /����� ��� 0'������ - �1 (���&+ 1�231�4 A3@

Page 4: Sensor Multicomponente

������ ����� �� �� ���.��� �������� ���������� �-�- ��

�������� ������� ��!��� ��� ���� ��� �� ���- A"� ����� "�

��>����� �� ���������- '�� �� ��� "� ��� ��� �� �������

���� ��������� ��� ���������� �� �� ������������� ��

"�� 01 ��� )01 ���� "� ���� �"�� "! �� ��������

������� ������ %01 ��������� ������� !� ���

01���2������� ������� !�*- O��� ��� �� ���� "� ����� ���

�� ��������� ��� ��������� ���"��� ������� �� �� ,&& �

��! ������ �������! ��� ��������� ��"����! �� �� �������-

�����!� �� �������� ����� �� �� � �� � �����������

������� ����� ������ ���� �� ���"�����!�� ��������� ��

�� ���������?������� ���������- '� ��;����� �� �� ���"���

��!�� ������� ������� %!�� � �� �"?��� ���� �� � ��

���"�����!�� �������! ��� �"?�� �� ������� ���� �� ��

��������� ���������* �� �� ���� �������� ������� �������

��� � �������� ��� �������� ������� � ��� ���"���

��������! �� �� ������� ���� ����� ����!��� ���� ���������-

��� �� ��� �� ���"���� �� �� ,&& �� ��� �� �� �

�������������� �� ���� $���� �������+ %� � ����� ����

�� � �� ������������ ��������* � ���.��� ���������- 8�

� ����������� "! �2�������� ��� �� !�� �� �� &�

�������� ��������� �������� �� �����! /��� �� �� ���������

���� �������� �� 4 � ��� �� �� ������� ������� ���� ���

�� ���"�����!�� ���������- '�� �� ����������� ������

����� %!� �� !�* ��>����� �� �� ����� 4 � �� � ��������� ����

������� ����� ���� � ��<������! �� ������������� �����-

����������� ��� �� 01 ��������� �������� %4 �* ��

������ ��! ���� �� 01 ��������� ������� %!�* ����� ��� ��!

��� �� )01 ������������� �� � )01=01?�1 �� ��2����-

'� �������� ��� �� !� ������� �� 4 � ����� �� ��������

���� �� �� ��������� ��������� ���� �� ��� �������� "! ��

���"�����!�� ������� ������� ��� �� ���2����� )01-

��� �� ���- @� �� ����"������ ��� � ��� 01 �������������

�2�"���� � ������ ���� ����� ������� ��� �� ����������

"������ �� 01� �2������� ������� %!�* ��� �� )01 ����

���������� �� ��� ���! ���������"�� ����� � <2�� 01�������������-

5������!� �� �� �� � �������� �������?������ ����

��������� ��� �� �!����� �2�������� ����� �� �� ���.���

��������� � ������� � �� .������ �� ������ �� �� ���������

������ ��"��- �� ������� �� �� ��� �� ��������� �� "��

��� 01 ��� )01� �� ���� ����� ��� �� 01 ���������

������� �������� ��������! ����� �� ���������� ����� �

��� ������- � �� ������� �� �� ��������� ��������� ��

���� %��� ����C 3-: 6?* ���� "� �� � ��<������! ����� �

���� ���3-@3 6� ���� )10A1� �2������� ����� ������ ����� 01 ��������� ������� ����� ���� �� ���� ���!- �����

����!� �� ������������ �� �� �������� ������� )10A1� ��

������!�� ��������!�� �� ��������� ������ ����� ���� �� ��

����! �� �� ��������� ���� ��!� ����� )10A1� ����� "�

���� �� "! �2������� �� � ��<������! ����� � ���������

������� ��� ����� �������� �� ��������� ��"����! �� ��

�������- '�������� ������ ��������� ��� "� ���� �� ��

����� �� � ��������� ���������=���� �� ����� ��� ��

,&& ������� "��� �� �� �������?��������������

"�� ��� �� ���2����� ��������������� ��� ���������-

8� ��������� �� ���� ������� �� ����������! ����"������

���� �������� ���� �������� �� ������� �� ������������

��������� �������- '� ������ ����� ��>����� �� ���

���� ��� ���� ��� �� ������������� �� ��� ��������� ��

�� ��������������� �� ��2���� ����� "� ���������� ����

���� ��������� �������- '�� �� � &&, �������

���- A- 5������� ������������� �� ��������� �� �� ,&& - %�* ,��������

���� ���������=���� �� �����7 %"* �������� ������� ������-

���- @- %�* )���"������ ��� � ��� 01 �������������7 %"* ���������� "������

�� !� ��� )01 ������������� ��� 01 ������������� � .��� ������� ��

13K ��� ? -

A3D ,%#-% ,�� �� �$% . /����� ��� 0'������ - �1 (���&+ 1�231�4

Page 5: Sensor Multicomponente

��� ���� � ��������� ��� �!����� ����������� �����>��

���������� ��� ��>�������� ��������� ��� �����! �� �����

��� ����� ���������� ��������� �� ��������������� ����

�� � "�����������! ��� )01 ��� 01- ��� ����������

������ �� ��������� "�� ��� 01 ��� )01� �� L:M-

� ����������

'� ����� �������� �"� � ���������� ��� �� ���

�������� ��� �� ������� �������� �������������� ������

��������� �� ���� # $$&'�()++ ��� $$,&& ++ ���

���� ��� ���>�� ��� �� �������� ��������� ��������

��� ��� �������� ����! �������������� �� ����- 8�

����������� �� � ���� ��� ��� ���"������� �� ��������

�������������! ��������� ��� �������� �����>�� ���� "�

����� ����� ��� ������/��� �� ���� ������������ �� ���

����� �� ���� �������� ��� �2�������� ������� ��������

�������������� ��������������� �� ����-

�������� �������

5������ �� �� ���. "! �� �������� ������� 5������

���������� �� )��� %����� ��- HBB@3144* � ���������!

�����������-

����������

L4M �-(- �������� )-�- I�����!� '�� ��!�� ���� �����>��� ��C (- P������

�-0+,- ���.��� �-(- )����!� 5- 5���������� %(�-*� )�������� �

'������ �� (������������!� 6��- B� &����� &��� ��� P��.� 4BDF�

��- H:H=HB1-

L1M �-�- ���� �-�- ��� )-5- )�� ����� �� �� ������!�� ���� ��� ��

������������ )��- )��- 44 %4BDD* F@=FB-

LHM �-�- ��� �-�- ���� )-5- )�� �� �� �������������� ��������

���������� )��- �- ���- )��- : %:* %4BDD* 14=1F-

LFM �-�- I�"���� '-5- )���������� �-'- 5��!��� �����������

�2!�������� �� ���"�� ���2��� "! �����2��� ��� �� ������� �����

�� ���� �� )10A1� ������ �- �- )��- 5��- 43A %4BDF* FAA@=

FA@3-

L:M �-�- ���� �-�- ���� )-)- ���� ������ �� �� ��������� ��� �!���

��� ���������� �� )01 ��� 01 �����������! ���� ���������

��������� ���������������!?���������!� 5��- ������� � :1 %4BBD*

14B=11:-

������� ���

,��6#-� ,�� � � ������� �� �� ���������� �� )�����!� ����

Q�� ����!� )���- O� �� � ������ ����� �� �� (��������� �����

)������ )�� ������ I��� � Q�� ����!� Q5 � ���.��� ��� �������

)-)- ��� �� 4BB4=4BBH ��� � ��� � ���"�� �� �� �� ��� O������!�

5����� )�������� �� �� )��� (��������� 5�����!- O� ������ �������

��� �� �� ���� �� ��������� ����� .������� �������������� ���� ���

�� ������������ ��� �� ��"�������� �� ��������� �������������� ����

���� ������������� �����>��-

* ��6#��6 7��6 � � �������� ������ ���.��� �� �������������! ��� �

,���� ������ �� ���� Q�� ����!-

���#8�� * � ����� �� � &� ������ �� ������! ���� ���� Q�� ����!

�� 4BBA� ��� � ��� �� ������ ������� �� ������! �� 5��/��

Q�� ����!� )���-

,� #9��6 �� ����� �� � ,5 ������ �� ������! ���� ���� Q�� ����!

�� 4BD@� ��� � ��� �� ������� ������� �� '���J� ,������ Q�� ����!�

)���-

,%#-% ,�� �� �$% . /����� ��� 0'������ - �1 (���&+ 1�231�4 A3B