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氢气传感器检测方法8.2

已有 6668 次阅读 2014-3-26 10:37 |个人分类:氢气生物学书|系统分类:科普集锦

 

目前用电极测定氢气浓度使用最多的是测定组织或血液中氢气的浓度,丹麦的unisense公司氢气电极满足可以一般研究的需要。常用的检测步骤为,首先用标准氢气溶液的不同浓度对电极进行定标,并计算出标准曲线,然后将电极刺入待测定组织或样本中,根据测定的信号强度对比标准氢气溶液的标准曲线计算所测定样本中的绝对浓度(图8.2)。

8.2 氢气电极使用情况

 

氢气传感器检测氢气的浓度,特别是液体或生物组织中氢气的浓度具有很大的优点。根据工作原理的不同,氢气传感器分电化学、半导体、热电和光纤型等四种类型,金属氧化物半导体传感器已经实现工业化。三种物理类传感器即半导体型、热电型和光纤型在最近几年的研究研究比较迅速,本书将简单介绍这些传感器的工作原理。

一、半导体型氢气传感器

半导体型氢气传感器包括电阻型和非电阻型半导体传感器。电阻型半导体传感器主要以氧化锡、氧化锌和氧化钨等金属氧化物作为气体吸附材料制备成的金属氧化物半导体氢气传感器。这类氢气传感器的工作原理是氢气被金属氧化物吸附后,氢气被氧化释放出电子,与吸附材料的氧原子结合,利用电化学分析原理通过检测电流来检测氢气的浓度。半导体型氢气传感器主要的缺点是选择性比较差,容易受到其他还原性气体,如一氧化碳的干扰。现在有人利用纳米技术通过提高传感器的物理选择性提高分析的选择性,获得比较明显的效果,这对于将该技术用于在体氢气浓度的检测尤其重要。另外通过添加一定比例对氢气选择性好的金属如铂,可以提高敏感性和选择性。

非电阻型半导体传感器是通过检测电容等非电阻电学量来检测氢气的浓度,有肖特基二极管型和金属-氧化物-半导体型场效应管型两类。在半导体材料上沉积一层金属即可制得肖特基二极管型氢气传感器。该类型传感器的检测原理是,当肖特基二极管传感器与氢气接触吸附后时,氢气在催化金属的表面分解为氢原子,氢原子向内扩散至金属半导体界面处,在外加的偏置电压下,界面电容随外加电压的变化而变化。这类传感器最大的特点是可以在高温下检测氢气的浓度。

半导体型氢气传感器结构简单、易集成、易实现器件的小型化、使用寿命长,是一种比较理想的传感器。但其工作温度较高,增加了能耗和器件的尺寸,且在使用的过程中易产生电火花,在氢气体积分数较高的环境下,易引起爆炸。

二、热电型氢气传感器

热电型氢气传感器首先,在基片上沉积一层热电材料,然后,在热电材料表面的某一部分沉积一层可催化氢气的金属,如铂,最后分别在催化金属层、热电薄膜层引出电极,即获得最为简单的热电型氢气敏感元件。

当此敏感元件暴露在含氢气的环境中,在催化金属的作用下,氢气与氧气反应生成水蒸汽并放出热量,于是沉积有催化金属的一端温度高,为热端,无催化金属的一端温度低,为冷端,由于热电材料的热电发电效应,将这种热端与冷端之间的温差转换为温差电势,以电信号的形势输出,从而实现对氢气的检测。

热电型氢气传感器具有两大优点:一是不需要外加辅助电源,可以依靠热电材料直接将温差转换为电信号。二是由于使用选择性比较强的金属,使氢气的检测选择性比较强。

三、光纤型氢气传感器

光纤型氢气传感器有微镜型传感器和光纤光栅测缝型传感器。固态氢气传感器一般是检测电信号,一个共同的弊端就是可能产生电火花,对于氢气浓度比较高的环境,这存在巨大的安全隐患。光纤传感器使用光信号,所以,更适用于易爆炸的危险环境。光纤氢气传感器大都采用金属钯及钯合金作为氢气检测材料,选择性比较好。光纤氢传感技术是测量薄膜透射率、反射率等物理参数改变实现对氢气浓度的检测。在具有光栅的光纤镀一层金属钯膜即可得到光纤光栅测缝型氢气敏感元件。当此元件放置在氢氛围中,钯吸收氢气后形成钯的氢化物,钯膜结构发生形变,导致光栅波长变化,通过测量光栅波长变化检测氢气的浓度。

微镜型氢气传感器是在光纤尾端镀一层钯或钯合金膜,得到微反射镜型光纤氢气传感器。当入射光经到达敏感元件,经敏感元件反射后经耦合器进入光检测器。钯膜吸氢后,薄膜反射率发生变化,于是引起光检测信号变化,通过检测接收端的光信号实现对氢气浓度的检测。这类传感器原理简单,目前发展的比较成熟。对氢气浓度比较高的环境,采用这类检测技术有比较强的可行性。

 

氢气传感器的选择性、安全性、稳定性、灵敏度以及输出信号弱等问题是限制氢气传感器应用的最主要原因,目前这些问题都逐渐得到解决,特别是在光纤传感器、纳米和新型敏感材料等方面的发展将不断提高氢气传感器的技术。

 



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2 郑永军 林涛

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