电化学毒剂传感器制造技术

描述了一种以测量电流原理进行工作、用于分析空气中的氨的电化学传感器（１０）。该电池含有一种固定化的有机电解液（４０）或一种水基电解液（４０），两种情况下的电解液均溶解有Ｍｎ↑［２＋］盐，如果在氨的存在下电解液中发生ｐＨ变化时，Ｍｎ↑［２＋］会立即在电池的测量电极上被电化学过程氧化成Ｍｎ↑［３＋］离子。该传感器由三个电极构成，一个催化性活性碳测量电极（３０），一个与电解液（４０）接触的第二碳辅助电极（对电极）（１８）和一个与电解液（４０）接触并作为参比电极的第三电极（２８）。该传感器（１０）可用于范围广泛的氨，并可以适用于其它用途，如挥发性胺。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
1.专利
本专利技术涉及用于检测诸如气体或液体中的毒性化合物的传感器，特别涉及用于检测氨的检测器的制造和使用。2.相关技术说明依赖毒气传感器，保护进入可能有毒的区域的人员的健康和安全的程度越来越高。随着人们对于在有限空间内工人安全的关注的增加，需要使用小型便携式设备快速地鉴定仍然有毒(即使不使人室息或燃烧)的气态或液态试剂。随着电子设备的集成程度的增加，获得读出式毒剂传感器也变得越来越简单。然而，仍然需要对传感器的准确度和灵敏度进行改进，以避免由传感器的输出指示得出不当结论。电化学方法常用于分析痕量气体。在这种方法中，原电池的测量电极与待检测的气体接触，产生正比于待测化合物浓度的电流。一旦检测到可还原的气体(如氧气、二氧化氮、臭氧或氯气)，就会在作为阴极的测量电极上发生反应，而可氧化的气体(如硫化氢、一氧化碳、氢气)是在作为阳极的测量电极上起反应。许多目前使用的电化学氨传感器电池都应用Sevringhaus(电势测定)原理(DS-A-2009937)。使用一个pH玻璃电极作为测量电极，测量pH电极与参比电极之间的电势。电势差作为测量信号，通过电解液按照反应发生的pH改变与氨的存在发生关联。该方法的缺点是信号与氨的浓度成对数关系。此外，确定平衡的时间极慢。另外，其它气体(如SO2、HCl、CO2)也能够改变电解液的pH值，从而使测量结果产生错误。其它可以买到的氨传感器(如从Sensoric GmBH & Co.买到的那些)按照测量电流的原理进行工作。这种类型的传感器对通过气可渗透性膜到达催化工作测量电极的氨气按照下式发生的直接转换产生响应这些类型的传感器中的电极包括测量、参比和对电极，对电极与无水凝胶电解液接触，协同电催化剂将氨氧化成氮气。电解液为无水介质对于直接转换很重要。一种高效催化剂的例子是铂黑。该反应产生正比于测量气体中氨的浓度的电流。遗憾的是，在较高浓度时氨氧化成的氮气的速率不够快，并且氨氧化产生的中间副产物将测量电极部分堵塞，导致该电极暂时性中毒，并且如果氨没有从传感器中除去，还伴随有测量信号的连续衰减。另外，这种传感器的选择性不是很高。另一种类型的测电流的测量方法从GB 2,225,859中获知。氨通过气可渗透性膜进入含有可溶性非可氧化性试剂的电解液中。试剂通过与氨发生反应变为一种电化学可氧化的物质，优选为一种诸如三(羟甲基)-氨基甲烷的盐酸盐(“Tris-HCl”)的有机铵盐。在测量电极上把铵盐转换为在第二阶段被氧化的三(羟甲基)-氨基甲烷，而不是氨本身。该方法必须使用一种高效催化剂，铑或金以氧化新生成的胺。不幸的是，测量气体(如CO或醇)中的其它物质如副产物也会被测量。另一个缺点是需要一个偏电位以使反应发生。这产生了很长的依赖温度的加热期，削弱了传感器的测量行为，并降低了获得理想的零噪声水平的能力。在这种类型的方法中，氨只与加到电解液中的特定物质(Tris-HCl)反应，产生一种以后在测量电极上使自身发生改变的电化学活性物质，产生正比于氨浓度的测量信号。已知的一个类似的测量方法(美国专利No.5,234,567)使用一种与氨反应形成比氨具有更强的电化学活性的化学物质。该化学物质为碘或奈斯勒试剂或硝酸锰和硝酸银溶液中的一种。优选化学物质为碘。氨扩散至传感器并轻松地溶解于水中而产生OH-(反应1)，OH-对于形成碘离子的二级反应(反应2)是必须的。(1)(2)(3)测量信号由碘离子再形成碘(反应3)产生。但这必须在测量电极处于高电势时才能发生。需要参比电极和测量电极之间的偏电势为+300mv。这需要很长一段加热时间去稳定传感器的零读数。另一个缺点是一个很小的副反应也能从碘形成碘离子(反应4)。(4)该副反应依赖于温度，并伴随有实质上增加零电流的轻微温度上升，这是又一个大的缺点。本专利技术的另一个目的是提供一种氨传感器，在其设计工作范围内，其准确度得到了改进。本专利技术的又一个目的是提供一种传感器，相对来讲，其不需维护，并且在长时期内保持稳定。本专利技术的一个目的提供一种用于氨及其衍生物的传感器，该传感器不需要偏电势，并且不管环境温度湿度如何波动都具有稳定的零噪声水平。本专利技术还有一个目的是提供一种此类型的传感器，其能够在长时期内测量高浓度的氨。该传感器提供相对快速的毒剂浓度测量结果，并且不需要复杂的外部设备即可容易地做到这一点是很重要的。本专利技术的这些和其它的目的提供在一种有效测量气态或含水试样中的目标组分的传感器中，该传感器包括一个外壳，其含有一种电解液，该电解液包括一种稳定的可氧化的金属离子；一个与所说的电解液接触的测量电极，该测量电极包括一个支持层和一种在所说的目标组分存在下，有效催化所说的稳定的可氧化的金属离子的氧化反应的催化剂；和一个与所说的电解液接触的对电极。图2为传感器的部分分解图。图3为传感器的测量电极组件的正视图；和图4为传感器的环电极的正视图。优选实施方案的详细说明现在参照附图，从附图说明图1开始，毒气传感器系统总标记为10。其包括大致标在12的传感器和相关联的外部电路设备，外部电路设备包括一个电池14和一个常规的偏压调节电路16，偏压调节电路应用参比电极28和测量电极30之间的外加电压。输出装置22监测流入传感器12的电流。使用该传感器测量气态或液态目标物质如氨和挥发性胺的浓度。稳压电路应用参比电极28和传感电极之间的控制电压。大致标在30的传感或测量电极放在32上，并定位在紧邻扩散膜的位置。扩散膜优选包含一种常规的聚四氟乙烯材料的多孔膜。在此处将会看到，该扩散膜优选与测量电极30紧密接触，以改进系统的测量准确度和响应时间。传感器12按照测量电流的原理进行工作。与一个外部电子稳压电路24结合的参比电极28起到电参比点的作用，保持测量电极30的电位为常数。参比电极28优选使用覆盖在多孔的带状基层上的钌作为催化剂，基层优选由聚四氟乙烯材料制造。已经发现当与优选的电解液40一起应用时，钌催化剂能够为测量电极30提供最优工作电位。现在将再参照图2讨论传感器的物理构造。传感器12包括一个外壳44，其由任意耐电解液40的合适材料形成。外壳44优选由ABS塑料或聚酯材料制成。在此处将要看到，外壳44的内腔的顶部被一个大致标在50的电极装置密封。外壳44内腔的入口通过去掉底盖52获得，电解液加入外壳44中后，底盖52密封到外壳44上。可以使用超声焊接或另一种常规的密封方式，并优选最终的结构为液密的。电解液40可以包括实际上任意适宜的有机或水基的、与应用的试剂相容的电解液。在本专利技术的这一方面，电解液包括一种稳定的可氧化的金属离子。此外所使用的术语“稳定的可氧化的金属离子”是指在标准条件下，保持在特定氧化态的金属离子。在本专利技术中有用的金属离子在合适的条件下，如将传感器在催化剂存在下暴露于一种目标组分之下，可以被氧化成更高的氧化态，并能有效提供离子电导率。所用的金属离子为稳定存在为“Mn2+”并被氧化成“Mn4+”的锰离子。将稳定的可氧化的金属离子以盐的形式加到电解液中。稳定的可氧化的金属盐可以是溶解于有机或水基电解液中，并能有效提供离子电导率的任意盐。优选电解液包含锰(II)，最优选硝酸锰(II)或硫酸锰(II)的水溶液。为准备电解液，该稳定的可氧化的金属盐可以浓缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有效测量气态或液态样品中的一种目标组分的传感器，该传感器包含：一个含有电解液的外壳，电解液包含一种稳定的可氧化的金属离子；一个与所说的电解液接触的测量电极，该测量电极包含一个支持层和一种在所说的目标组分存在下，有效催化所说的稳定 的可氧化的金属离子的氧化；和一个与所说的电解液接触的对电极。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迪特尔基泽尔曼，
申请(专利权)人：高级技术材料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]