一种可联合检测呼气一氧化氮和呼气硫化氢的电化学气体传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种可同时测定呼气中的一氧化氮和硫化氢的四电极电化学气体传感器，由两个工作电极、一个辅助电极、一个参比电极、一个硫化氢过滤器及电解液组成四电极体系，其特征在于：两个工作电极位于同一水平面上且空间相对独立，两个工作电极为同一种电极材料，硫化氢过滤器位于其中一个工作电极上方。工作电极的形状为半圆形，电极材料为掺金的碳纳米管、石墨或石墨烯。掺金的工作电极对硫化氢敏感，可得到一氧化氮和硫化氢的混合响应信号，而在设置有硫化氢过滤器的工作电极上只能得到一氧化氮的响应信号，这样通过差值计算，就可以在该传感器上同时得到一氧化氮和硫化氢的响应信号。该传感器可实现呼气一氧化氮和呼气硫化氢的同时检测。

【技术实现步骤摘要】
一种可联合检测呼气一氧化氮和呼气硫化氢的电化学气体传感器
本专利技术涉及呼气检测领域，更具体地说，涉及一种可同时测定呼气中的一氧化氮和硫化氢的电化学气体传感器。
技术介绍
呼出气NO是国际公认的嗜酸性粒细胞或过敏性气道炎症标志物，正常的浓度范围为5-25ppb,已经有多种商业化产品用于临床实践。最近使用实验室仪器的研究发现呼出气H2S可能是嗜中性粒细胞或感染性气道炎症标志物，例如，来自奥塔哥大学的JackFDummer研究发现，呼出气H2S浓度和痰嗜中性粒细胞水平之间存在着负相关，H2S浓度范围在10ppb左右。因此，呼出气NO和H2S的联合检测有望于区分炎症类型，为用药提供更加有效的依据。呼出气NO和H2S的联合检测具有重要的临床意义。目前，化学发光法和电化学NO传感器技术可实现ppb级别的NO的检测。其中，化学发光仪设备昂贵，维护方法复杂，在临床应用上受到了很大的限制，瑞典NIOX和中国尚沃的电化学NO传感器技术已广泛应用在临床呼气NO的检测。呼出气H2S的检测尚未见商业化临床技术的报道，实验室中对呼出气H2S的检测方法多为气相色谱法和化学发光法，设备昂贵且分析方法较为复杂，在临床应用上受到了很大的限制。呼出气NO和呼出气H2S的浓度都是ppb级别的，其联合检测是一个极具挑战性和创新性的技术。本专利技术的目的是开发一种可同时测定呼出气NO与H2S的电化学气体传感，用于过敏性及感染性气道炎症及相关疾病的呼气检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可同时测定呼气中的一氧化氮和硫化氢的四电极电化学气体传感器。该传感器由两个工作电极、一个辅助电极、一个参比电极、一个硫化氢过滤器、一个缓冲器及电解液组成，其中，两个工作电极位于同一水平面上、空间相对独立且电极材料相同，硫化氢过滤器位于其中一个工作电极上方，缓冲器位于另一个工作电极上方。所述两个工作电极位于同一水平面上且空间相对独立，可通过传感器壳体设计使两个工作电极隔开，避免经过过滤器和未经过过滤器的气体相互扩散造成干扰。可在传感器壳体中间设置挡板，该挡板从硫化氢过滤器和缓冲器的上沿一直延伸至传感器内部，这样既可将硫化氢过滤器和缓冲器隔开，又可将两个工作电极隔开，给两个工作电极营造相对独立的空间。所述硫化氢过滤器和缓冲器的厚度相同，材料的载体相同，这样气体在硫化氢过滤器和缓冲器中的扩散速率才相同，避免出现同一种气体因扩散速率不同而在两个工作电极上响应不同的现象。所述两个工作电极为同一种电极材料，且形状为半圆形，电极材料为掺金的碳纳米管、石墨或石墨烯。传感器的电极采用倒三角的安装模式：由上至下分别为平行的两个工作电极、参比电极、辅助电极。所述参比电极和辅助电极均为铂电极。所述硫化氢过滤器位于其中一个工作电极（S1）上方，其主要成分为负载锌铜的碳材料，其形状为半圆形。所述缓冲器位于另一个工作电极（S2）上方。掺金的工作电极对硫化氢气体敏感，可得到一氧化氮和硫化氢的混合响应信号，而在设置有硫化氢过滤器的工作电极上只能得到一氧化氮的响应信号，这样通过差值计算，就可以在该传感器上同时得到一氧化氮和硫化氢的响应信号，不但简化了测试方法，还大大降低了实际应用成本。具体的算法如下：设一氧化氮的浓度系数为K1，硫化氢的浓度系数为K2，在工作电极S1上得到一氧化氮的响应电流值I1，在工作电极S2上得到一氧化氮和硫化氢的混合响应电流值I2，因此，CNO=K1*I1CH2S=K2*(I2-I1)所述硫化氢过滤器的主要成分为负载锌铜的碳材料。所述碳材料可以是碳纳米纤维、多孔活性炭、活性炭纳米纤维、活性炭布、纤维无纺布等比表面积大的材料。其制造方法为：将碳材料加入到7~8moL/L氯化锌、5.8~7moL/L氯化铜的混合溶液中，再加入氨水，在65~80℃下搅拌反应4.5~5h，反应完成后，过滤分离，用30%甲醇溶液洗涤三遍。将过滤分离得到的固体在100℃下干燥12h，制得负载锌铜的碳材料。该方法通过反应温度和时间的调整，可将锌铜颗粒的尺寸控制在2~10nm范围内，锌铜的负载质量比可达10~30%。该材料载体的比表面积较大、锌铜颗粒小且负载量大，对硫化氢有较强的去除作用且使用寿命较长。相对现有技术，本专利技术的技术方案带来的有益技术效果：本专利技术的技术方案制备的四电极电化学气体传感器的最大优点在于：可同时测定呼气中的一氧化氮和硫化氢，且工作电极为同一种电极材料，温度等环境因素引起的漂移一致，解决了由于两个工作电极材料不同所引起的计算偏差。硫化氢过滤器为负载锌铜的碳材料，该材料载体的比表面积较大、锌铜颗粒小且负载量大，对硫化氢有较强的去除作用且使用寿命较长。本专利技术的技术方案制备的四电极电化学气体传感器实现了呼气中的一氧化氮和硫化氢的联合检测，可应用于过敏性及感染性气道炎症及相关疾病的呼气检测。附图说明图1电化学气体传感器的结构示意图。图2电化学气体传感器对混合气的响应曲线。具体实施例本例电化学气体传感器的结构：如图1所示，该传感器包括壳体10、工作电极（S1）21、工作电极（S2）22、参比电极（R）23、对电极（C）24、电解液30、硫化氢过滤器40、缓冲器50。所述传感器壳体10的顶端中间有一进气孔11，壳体10的顶端左侧有一出气孔12，壳体10的顶端右侧有一出气孔13，壳体中间有一挡板14。硫化氢过滤器40位于工作电极（S1）21的上方，缓冲器50位于工作电极（S2）22的上方。所述两个工作电极位于同一水平面上且空间相对独立。两个工作电极的电极材料相同，为掺金的石墨烯。工作电极的工作电位为300mV。参比电极和对电极的材料为铂电极。工作电极为同一种电极材料，温度等环境因素引起的漂移一致，解决了由于两个工作电极材料不同所引起的计算偏差。所述挡板13的厚度为1mm，总高度为4mm，挡板13从硫化氢过滤器40和缓冲器50的上沿处延伸至传感器内部，硫化氢过滤器40和缓冲器50的高度为2mm，挡板13延伸至传感器内部的高度为2mm。挡板13既可隔开硫化氢过滤器和缓冲器，也可隔开两个工作电极，使两个工作电极处于相对独立的空间，避免经过过滤器和未经过过滤器的气体相互扩散造成干扰。PIN脚14为连接四个电极的导体，分别连接工作电极（S1）21、工作电极（S2）22、参比电极（R）23和对电极（C）24。电解液30为6mol/LH2SO4溶液。传感器壳体10的材料为ABS。本例硫化氢过滤器的主要成分为负载锌铜的多孔活性炭，缓冲器的材料为多孔活性炭。硫化氢过滤器和缓冲器的厚度和载体材料相同，气体在其中的扩散速率相同，避免出现同一种气体因扩散速率不同而在两个工作电极上响应不同的现象。负载锌铜的多孔活性炭的制造方法为：将3g多孔活性炭加入到30mL含7.5moL/L氯化锌、6moL/L氯化铜的混合溶液中，再加入20mL氨水，在75℃下搅拌反应5h，反应完成后，过滤分离，用30%甲醇溶液洗涤三遍。将过滤分离得到的固体在100℃下干燥12h，制得负载锌铜的多孔活性炭。所得锌铜颗粒的尺寸为4~8nm范围内，锌铜的负载质量比达26.5%。该材料载体的比表面积较大、锌铜颗粒小且负载量大，对硫化氢有较强的去除作用且使用寿命较长。本例制造的电化学气体传感器对20ppb一氧化氮和15ppb硫化氢的混合物的响应曲线如图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可联合检测呼气中的一氧化氮和硫化氢的四电极电化学气体传感器，由两个工作电极、一个辅助电极、一个参比电极及电解液组成四电极体系，其特征在于：两个工作电极位于同一水平面上且空间相对独立，两个工作电极为同一种电极材料，硫化氢过滤器位于其中一个工作电极上方，缓冲器位于另一个工作电极上方。

【技术特征摘要】
1.一种可联合检测呼气中的一氧化氮和硫化氢的四电极电化学气体传感器，由两个工作电极、一个辅助电极、一个参比电极及电解液组成四电极体系，其特征在于：两个工作电极位于同一水平面上且空间相对独立，两个工作电极为同一种电极材料，硫化氢过滤器位于其中一个工作电极上方，缓冲器位于另一个工作电极上方。2.如权利要求1所述两个工作电极位于同一水平面上且空间相对独立，可通过传感器壳体设计使两个工作电极隔开，避免经过过滤器和未经过过滤器的气体相互扩散造成干扰。3.如权利要求1所述两个工作电极为同一种电极材料，且形状为半圆形。4.如权利要求1所述工作电极的电极材料为掺金的碳纳米管、石墨或石墨烯。5.如权利要求1所述传感器的电极采用倒三角的安装模式：由上至下分别为平行的两个工作电极、参比电极、辅助电极，所述参比电极和辅助电极均为铂电极。6.如权利要求1所述硫化氢过滤器位于其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑李纯，韩杰，
申请(专利权)人：无锡市尚沃医疗电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32