Cảm biến CO ₂ hòa tan chuyển đổi nồng độ CO ₂ hòa tan trong nước thành tín hiệu có thể đo được thông qua quá trình vật lý hóa học, cơ chế cốt lõi của nó có thể được chia thành hai loại chính của phương pháp điện hóa và quang học, cả hai đều dựa trên sự thay đổi hóa lý do tương tác của CO ₂ với môi trường cụ thể.
Phương pháp điện hóa: Phản ứng ion và chuyển đổi tín hiệu tiềm năng/hiện tại
Các cảm biến của phương pháp điện hóa dựa trên các phát hiện về sự thay đổi nồng độ ion được tạo ra bởi phản ứng của CO ₂ với chất điện phân. Lấy điện thế làm ví dụ, cấu trúc của nó bao gồm các điện cực nhạy cảm pH, điện cực tham chiếu cụ thể và màng chọn lọc CO ₂. Khi phân tử CO ₂ xâm nhập vào màng chọn lọc và đi vào chất điện phân, phản ứng xảy ra:
CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻
Nồng độ H⁺được tạo ra bởi phản ứng có mối quan hệ logarit với nồng độ CO ₂ và các điện cực nhạy cảm pH phát ra tín hiệu tiềm năng bằng cách phát hiện sự thay đổi nồng độ H⁺ (tức là thay đổi giá trị pH). Điện cực tham chiếu cung cấp điện thế chuẩn ổn định để đảm bảo độ chính xác của phát hiện. Chip tích hợp cảm biến chuyển đổi tín hiệu tiềm năng thành giá trị nồng độ CO ₂ hòa tan, độ chính xác có thể đạt ± 1 ppm, thích hợp cho các tình huống có độ chính xác thấp đến trung bình như xử lý nước thải, nuôi trồng thủy sản.
Cảm biến hiện tại tạo ra tín hiệu dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ thông qua phản ứng điện phân của CO ₂ trên bề mặt điện cực hoạt động. Ví dụ, CO ₂ được giảm thành CO tại điện cực làm việc:
CO₂ + 2H + 2e CO₂ + H2O
Cường độ dòng điện do phản ứng tạo ra phản ánh trực tiếp nồng độ CO ₂, độ chính xác cao hơn (± 0,5 ppm), nhưng cần thay thế chất điện phân thường xuyên, chủ yếu cho các tình huống yêu cầu độ chính xác cao như y sinh học.
Phương pháp quang học: hấp thụ ánh sáng và hiệu ứng dập tắt huỳnh quang
Cảm biến quang học sử dụng sự hấp thụ của phân tử CO ₂ đối với các bước sóng cụ thể của ánh sáng hoặc đặc tính dập tắt huỳnh quang để phát hiện. Cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR) tính toán nồng độ bằng cách đo cường độ hấp thụ của CO ₂ đối với ánh sáng hồng ngoại 4,26 μm. Sự suy giảm cường độ ánh sáng và nồng độ CO ₂ có mối quan hệ tuyến tính với độ chính xác lên đến ± 0,5 ppm và thời gian đáp ứng khoảng 60 giây. Nó phù hợp cho các tình huống như thực phẩm và đồ uống, giám sát môi trường, v.v.
Cảm biến dập tắt huỳnh quang phụ thuộc vào hiệu ứng dập tắt của CO ₂ đối với chất huỳnh quang. Chất phản quang huỳnh quang phủ bề mặt đầu dò huỳnh quang (chẳng hạn như phức hợp ruthenium) phát ra ánh sáng đỏ dưới sự kích thích của ánh sáng xanh, tuổi thọ huỳnh quang ngắn hơn sau khi phân tử CO ₂ kết hợp với chất phản quang, cảm biến tính toán nồng độ bằng cách phát hiện mức độ suy giảm cường độ huỳnh quang. Phương pháp này đáp ứng nhanh (<30 giây), không cần bảo trì, nhưng độ chính xác thấp hơn một chút (± 1 ppm), dễ bị nhiễu ánh sáng mạnh và thích hợp cho các tình huống năng động như phát hiện di động và trồng trọt không có đất.
Các yếu tố môi trường và chiến lược tối ưu hóa
Nhiệt độ, áp suất và thành phần nước đều ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Nhiệt độ tăng sẽ tăng tốc độ hòa tan và phản ứng CO ₂, và hầu hết các cảm biến được xây dựng trong mô-đun bù nhiệt độ để sửa lỗi; Tăng áp suất nước để cải thiện độ hòa tan CO ₂, một số mô hình cần được trang bị cảm biến áp suất bù; Độ đục hoặc dầu bẩn có thể che khuất đường dẫn ánh sáng của cảm biến quang học hoặc làm ô nhiễm màng điện hóa, đầu dò cần được làm sạch thường xuyên.
Phương pháp điện hóa và phương pháp quang học có lợi thế riêng: phương pháp điện hóa có chi phí thấp, kích thước nhỏ, phù hợp với các tình huống chi phí thấp; Phương pháp quang học có độ ổn định cao và tuổi thọ cao, phù hợp với độ chính xác cao hoặc giám sát lâu dài. Trong ứng dụng thực tế, công nghệ phù hợp cần được lựa chọn dựa trên nhu cầu cảnh (như độ chính xác, chi phí, độ phức tạp bảo trì) để đạt được giám sát và điều chỉnh chính xác CO ₂ hòa tan.