房喻:基于离子液体微电极叉指阵列的气体传感器

hongxiang

随着工业生产的发展、环境污染的加重和环保意识的加强，对各种常规乃至有毒有害气体的检测都提出了更高的要求。因此，对高效气体检测设备的开发愈发引起国内外学者的关注，并成为竞相研发的热点项目之一。

广为应用的电流型电化学气体传感器具有测量精度高、可重复性好、价格低廉的特点。然而这类气体传感器在通电长期运行工作，长时间暴露在极端条件下（如高温、高湿、干燥）都将严重影响其性能。即便在正常工作条件下，其传统的基于水溶液的电解液仍存在着易挥发的特点，电解液的挥发将极大减损传感器的使用寿命。为此，传感器通常内置一层疏水透气膜来降低电解液的挥发，但并不能彻底解决问题。并且，透气膜的稳定性也会影响器材元件的响应时间和灵敏度。为解决以上问题，无透气膜结构的气体检测系统广受期待。在此情况下，离子液体因其电化学窗口宽、蒸汽压低不易挥发、离子电导率高、物理化学稳定性良好、较大的可调控极性等优秀特点，成为了替换传统水溶液电解液的有力候选。以离子液体为电解液将能有效解决电解液挥发的问题，同时达成无膜结构气体传感器的设计。然而离子液体因为自身黏度达，会降低气体扩散到电极表面的速度，导致响应时间的延长和灵敏度的下降，进而成为离子液体在气体传感器应用上的最大障碍之一。

近日，新南威尔士大学赵川教授团队和陕西师范大学房喻教授合作，展示了一种以离子液体为电解液结合微电极叉指阵列（IDA）的氧化还原循环信号放大技术。这种能通过氧化还原电对循环放大检测信号的离子液体IDA气体传感器很好的弥补了上述离子液体在气体传感器应用上的缺憾。该方法通过集成化微电极叉指阵列来检测具有可逆电化学反应的气体，例如分子氧。传感器的信噪比等检测表现得到了有效增强，这得益于气体分析物在微电极上扩散的改善，尽管单个微电极的电流密度很小，但整个微电极阵列相加所得电流密度相比于宏电极而言呈现出明显增强的结果。

更重要的是通过施加不同电压，待分析气体分子在工作电极1上被还原，生成的中间产物（比如分子氧还原生成的超氧根离子）在工作电极2上再次被氧化成初始分子。两组工作电极间氧化还原反应的循环往复进一步增强了检测电流，使得IDA电极较之只有一组工作电极的 具有更加出色的检测表现，进而令IDA传感器兼具了高灵敏度（3.29 ± 0.06 nA cm-2 ppm-1）和低检测极限（174 ppm）。该传感器在典型氧气浓度的检测中表现出了良好的准确度和精密度。该传感器的设计理念对器件灵敏度的增强更适用于可逆电极反应的分析物分子（例如二茂铁/二茂铁离子、氧分子/超氧根离子），对电极反应不可逆的气体不响应（例如二氧化碳）， 可以排除来自于不可逆电化学反应物的干扰。对于IDA电极的应用亦可扩展到检测其他可氧化还原的气体，并且在单个IDA芯片上检测2种或多种气体在理论上具有可行性。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是新南威尔士大学博士Richard Gondosiswanto，共同通讯作者是新南威尔士大学赵川教授和陕西师范大学房喻教授。

该论文作者为：Richard Gondosiswanto, D. Brynn Hibbert, Yu Fang, and Chuan Zhao

Redox Recycling Amplification Using an Interdigitated Microelectrode Array for Ionic Liquid-Based Oxygen Sensors

Anal. Chem., 2018, DOI: 10.1021/acs.analchem.7b04945