传感器技术基础：电化学式传感器方案的工作原理与应用场景

最新推荐文章于 2025-10-27 15:00:16 发布

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电化学式传感器是一类基于电化学原理，通过检测目标物质在电极表面发生氧化还原反应时产生的电信号（电流、电压、电导等），实现对物质浓度或存在性分析的传感器。其核心特点是灵敏度高、选择性强、响应速度快，且结构相对简单，易于小型化，广泛应用于多个领域。

电化学式传感器的核心是电极 - 电解质体系，目标物质与电极发生电化学反应，产生可测量的电信号，信号强度与物质浓度呈定量关系。根据检测的电信号类型，可分为以下几类：

原理：基于 “能斯特方程”，目标离子在电极表面形成稳定的电位差，电位差与离子浓度的对数呈线性关系。
核心组件：
- 离子选择性电极（工作电极）：对特定离子有选择性响应（如 H⁺、Na⁺、K⁺、Pb²⁺等）；
- 参比电极：提供稳定的基准电位（如饱和甘汞电极、银 - 氯化银电极）；
- 电解质溶液：传导离子，确保电极间电荷传递。
示例：pH 传感器（H⁺选择性电极），测量溶液中 H⁺浓度对应的电位差，直接转化为 pH 值。

原理：在电极间施加恒定电压（恒电位），目标物质在工作电极上发生氧化或还原反应，产生的电流与物质浓度成正比（法拉第定律）。
核心组件：
- 工作电极（发生反应的电极，如铂、金、碳电极）；
- 对电极（传导电流，平衡电荷）；
- 参比电极（维持工作电极电位稳定）；
- 电解质与隔膜（隔膜防止干扰物质进入，同时允许目标物质扩散）。
示例：一氧化碳（CO）传感器，CO 在工作电极上被氧化为 CO₂，产生的电流与 CO 浓度成正比，通过电流值计算浓度。

电化学式传感器因小型化、低成本、实时检测的优势，在多个领域有不可替代的作用：

气体检测：检测空气中的有毒有害气体，如 SO₂（酸雨前驱体）、NOx（光化学烟雾）、H₂S（恶臭气体）、NH₃（农业 / 工业排放）等，常用电流型传感器。
水质分析：
- 离子检测：pH（电位型）、重金属（Pb²⁺、Cd²⁺，离子选择性电极）、氟离子（饮用水安全）；
- 消毒副产物：余氯（电量型），确保饮用水消毒效果。

血液成分分析：
- 血糖检测：基于葡萄糖氧化酶的电流型传感器，葡萄糖被氧化产生电流，快速测量血糖浓度（家用血糖仪核心组件）；
- 血气分析：检测血液中 pH（电位型）、O₂（氧电极）、CO₂（碳酸根离子选择性电极），辅助重症监护。
呼吸检测：呼气中的酒精（酒驾检测仪，乙醇氧化产生电流）、丙酮（糖尿病筛查）等。