سنسور pH اسیدیته یا قلیایی بودن محلول را اندازه گیری میکند. در زمینه‌های مختلفی مانند شیمی، علوم محیطی و کشاورزی کاربرد دارد. انواع آن عبارتند از حسگرهای pH الکترود شیشه‌ای، سنسورهای pH ISFET و سنسورهای pH نوار تست. از کاربردهای این سنسورها میتوان به تست کیفیت آب، تولید غذا و نوشیدنی، نگهداری استخر و تحقیقات علمی اشاره کرد.
سنسور pH وسیله‌ای است که برای اندازه گیری اسیدیته یا قلیایی بودن محلول استفاده میشود.
pH اندازه گیری غلظت یون هیدروژن (H+) در یک محلول است و در مقیاس لگاریتمی از 0 تا 14 بیان میشود. مقدار pH 7 خنثی، زیر 7 اسیدی و بالای 7 قلیایی در نظر گرفته میشود.
ساختار کلی سنسورهای PH و نحوه کار آنها
سنسورهای pH معمولاً از سه جزء اصلی تشکیل شده‌اند: یک عنصر حسی، یک عنصر مرجع و یک بخش اتصال. در اینجا کمی بیشتر درباره هر بر بخش خواهیم آموخت:
عنصر حسی
عنصر حسی بخشی از سنسور pH است که با محلول مورد اندازه گیری در تماس است و وظیفه آن تشخیص تغییرات غلظت یون هیدروژن و تبدیل آنها به سیگنال الکتریکی میباشد. رایج‌ترین نوع عنصر حسی الکترود غشایی شیشه‌ای است. از یک لایه نازک شیشه مخصوص ساخته شده که به تغییرات pH حساس است. هنگامی که این الکترود در معرض یک محلول قرار می‌گیرد، غشای شیشه‌ای ولتاژ کوچکی را تولید میکند که متناسب با سطح pH است.
عنصر مرجع
عنصر مرجع برای ارائه یک پتانسیل مرجع پایدار استفاده میشود که اندازه گیری pH بر اساس آن انجام میشود. این عنصر در حقیقت تضمین میکند که سنسور pH به طور دقیق و یکنواخت کار میکند. عنصر مرجع معمولاً از یک الکترود کالومل اشباع (SCE) یا یک الکترود نقره/کلرید نقره تشکیل شده است که هر دو دارای پتانسیل ثابت شناخته شده‌ای هستند. الکترود مرجع با محلول الکترولیت مرجع پر میشود که بدون توجه به تغییرات محلول نمونه، پتانسیل ثابتی را حفظ میکند.
اتصال
محل اتصال یک دهانه یا مسیر کوچک است که عنصر مرجع را به عنصر حسگر متصل میکند و اجازه می‌دهد تا محلول الکترولیت مرجع با محلول نمونه تماس پیدا کند و امکان انتقال پتانسیل‌های یونی را فراهم کند. محل اتصال به گونه‌ای طراحی شده است که گرفتگی و آلودگی را به حداقل می‌رساند و در عین حال امکان تبادل یون بین محلول مرجع و نمونه را فراهم میکند. انواع متداول اتصالات شامل سرامیک، پلیمر یا فریت متخلخل است.
این سه جزء برای اندازه گیری pH محلول با هم کار می‌کنند. هنگامی که عنصر حسگر با یک نمونه تماس پیدا میکند، ولتاژی متناسب با اختلاف غلظت یون هیدروژن بین نمونه و عنصر مرجع تولید میکند. سپس این ولتاژ اندازه گیری شده و توسط pH متر متصل به سنسور به PH تبدیل میشود.
انواع مختلف سنسورهای PH
انواع مختلفی از سنسورهای pH موجود است که هر کدام مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند. در اینجا به بررسی چند نوع رایج از سنسورهای PH خواهیم پرداخت:
الکترود شیشه ای
الکترود شیشه‌ای نوعی حسگر الکتروشیمیایی است که معمولا در کاربردهای مختلف از جمله اندازه گیری pH استفاده میشود. از یک غشای شیشه‌ای نازک و یک الکترود مرجع داخلی تشکیل شده است.
غشای شیشه‌ای، بخش مهم الکترود است. این غشا از شیشه‌ای با فرمول خاص ساخته شده که به طور انتخابی به یونهای خاصی مانند یونهای هیدروژن (H+) نفوذ پذیر است. این ویژگی به آن اجازه می‌دهد تا به تغییرات غلظت یون پاسخ دهد، به ویژه در مورد اندازه گیری pH.
در داخل الکترود شیشه‌ای، یک الکترود مرجع داخلی وجود دارد که به عنوان یک نقطه مرجع پایدار عمل میکند که در آن اختلاف پتانسیل اندازه گیری میشود. الکترود مرجع معمولاً با محلولی حاوی غلظت مشخصی از یونهای مرجع، اغلب نقره/کلرید نقره (Ag/AgCl) یا الکترود کالومل اشباع (SCE) پر میشود.
غشای شیشه‌ای الکترود شیشه‌ای به گونه‌ای طراحی شده است که به تغییرات غلظت یون اندازه گیری شده حساس باشد.
برای اندازه گیری pH، الکترود شیشه‌ای به یونهای هیدروژن (H+) در محلول حساس است. همانطور که غلظت H+ تغییر میکند، اختلاف پتانسیل مربوطه را در سراسر غشای شیشه‌ای ایجاد میکند.
با فرو بردن الکترود شیشه‌ای در محلول، این الکترود به غلظت یونهای هیدروژن موجود در محلول واکنش نشان داده و این واکنش باعث ایجاد یک ولتاژ میشود که در نهایت با استفاده از pH متر به مقدار pH تبدیل میشود.
علاوه بر اندازه‌گیری pH، از الکترودهای شیشه‌ای میتوان برای انواع دیگر اندازه‌گیری‌های یونی مانند اندازه‌گیری غلظت یونهای خاص مانند فلوراید، سدیم، کلسیم، پتاسیم و… در محلول‌ها نیز استفاده کرد. هر کاربرد ممکن است به نوع متفاوتی از ترکیب شیشه یا روش‌های کالیبراسیون خاصی نیاز داشته باشد.
برای اطمینان از اندازه گیری‌های دقیق و قابل اعتماد الکترودهای شیشه‌ای، نیاز است که به طور مناسب از آنها نگهداری و مراقبت شود. آنها باید به طور منظم طبق دستورالعمل سازنده کالیبره شوند و با آنها باید احتیاط کار شود تا به غشای شیشه‌ای ظریف آسیب نرسد.
ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون (ISFET)
ترانزیستور اثر میدان حساس به یون (ISFET) نوعی حسگر است که برای اندازه گیری غلظت یون در محلول‌ها استفاده میشود. اصول ترانزیستور اثر میدانی (FET) را با غشای انتخابی یونی ترکیب میکند.
یک ISFET شامل یک ساختار FET مبتنی بر سیلیکون با یک الکترود گیت است که توسط یک غشای انتخاب کننده یون پوشانده شده است. غشای انتخابی یون معمولاً از ماده‌ای ساخته میشود که به طور انتخابی با یونهای خاص تعامل دارد و امکان تشخیص آنها را فراهم میکند.
غشای انتخابی یون یک ISFET به گونه‌ای طراحی شده است که به یونهای خاصی مانند یونهای هیدروژن (H+) برای اندازه‌گیری pH یا یونهای دیگر مانند سدیم (Na+)، پتاسیم (K+)، کلرید (Cl-) و غیره حساس باشد. وجود این یون‌ها باعث تغییر در خواص الکتریکی غشا میشود که بر رسانایی FET یا ولتاژ آستانه تأثیر می‌گذارد.
برخلاف الکترودهای شیشه‌ای که به الکترود مرجع و PH متر نیاز دارند، ISFETها می‌توانند به طور مستقیم غلظت یون‌ها را بدون نیاز به الکترود مرجع اضافی اندازه گیری کنند. این باعث میشود آنها ساده‌تر و کوچک‌تر شوند.
رایج‌ترین کاربرد ISFET اندازه گیری pH است. با استفاده از یک غشای انتخابی یونی حساس به یونهای هیدروژن، ISFETها می‌توانند pH محلول را به دقت تعیین کنند. این ISFETهای حساس به pH نیاز به کالیبراسیون مکرر ندارند و این ویژگی آنها را برای استفاده در برخی کاربردهای خاص مناسب‌تر میکند.
ISFETها کاربردهای گسترده‌ای فراتر از اندازه گیری pH دارند. آنها را میتوان برای نظارت بر غلظت یون در زمینه‌های مختلف، از جمله نظارت بر محیط زیست، صنایع غذایی و آشامیدنی، تحقیقات زیست پزشکی، و تجزیه و تحلیل شیمیایی استفاده کرد.
ISFETها برای اطمینان از اندازه گیری های دقیق و قابل اعتماد نیاز به جابجایی و کالیبراسیون دقیق دارند. در این سنسورها غشای انتخاب‌گر یون می‌تواند مستعد رسوب یا آلودگی باشد که ممکن است بر عملکرد آن تأثیر بگذارد.
سنسورهای PH برپایه پلیمر
سنسورهای pH مبتنی بر پلیمر نوعی حسگر pH هستند که از پلیمرها به عنوان ماده حسگر استفاده می‌کنند. این سنسورها مزایای متعددی دارند و در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
حسگرهای pH مبتنی بر پلیمر بر اساس اصل تبادل یونی بین محلول هدف و ماده حسگر پلیمری کار می‌کنند. این پلیمر به گونه‌ای طراحی شده است که به طور انتخابی با یون های هیدروژن (H+) موجود در محلول برهم کنش داشته باشد که منجر به تغییراتی در خواص الکتریکی آن میشود.
سنسورهای pH مبتنی بر پلیمر می‌توانند محدوده pH گسترده‌ای را از محلول‌های بسیار اسیدی تا بسیار قلیایی پوشش دهند. بسته به پلیمر خاص مورد استفاده، این حسگرها معمولاً حساسیت و دقت خوبی در طیف وسیعی از pH دارند.
پلیمرها از نظر طراحی سنسور انعطاف پذیری دارند و برای کاربردهای مختلف مناسب هستند. این حسگرها معمولاً زمان پاسخگویی سریعی دارند که امکان اندازه‌گیری سریع و بی‌درنگ pH را فراهم میکند. این باعث میشود آنها برای محیط های پویا وفعال یا پروژه‌هایی که نیاز به نظارت سریع pH دارند مناسب باشند.
بسیاری از مواد پلیمری مورد استفاده در حسگرهای pH زیست سازگار هستند که این ویژگی آنها را برای کاربرد در بخش‌های پزشکی و بهداشتی ایده‌آل می‌سازد. آنها را میتوان برای نظارت بر سطح pH در مایعات بیولوژیکی مانند خون، بزاق، یا حتی درون موجودات زنده استفاده کرد.
سنسورهای PH الکترود دیفرانسیل
سنسورهای pH الکترود دیفرانسیل از دو الکترود با مشخصات متفاوت تشکیل شده اند. یک الکترود pH را اندازه گیری میکند، در حالی که دیگری به عنوان یک الکترود مرجع عمل می کند. این طراحی به حذف خطاهای ناشی از تغییرات دما، تداخل الکتریکی یا آلودگی کمک میکند.
الکترود pH ترکیبی
الکترودهای ترکیبی هم شامل الکترود غشایی شیشه‌ای حساس به pH و هم یک الکترود مرجع که در یک واحد ادغام شده است. این حسگرها راحت، استفاده از آنها آسان است و برای اندازه گیری همه منظوره pH مناسب هستند.
مهم است که نوع سنسور pH مناسب را بر اساس نیازهای خاص پروژه خود مانند ماهیت نمونه، محدوده دما، سازگاری شیمیایی، نیاز به دقت و شرایط محیطی انتخاب کنید.