Amperometrische und
potentiometrische Sensoren
Sebastian | Brühl || Daniel | Walter
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Chemische Sensoren
• wandelt eine chemische Information
(z.B. Konzentration) in ein elektrisches Signal um
Abb. 1: Messprinzip eines Sensors
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Charakterisierung von Sensoren
•
•
•
•
•
•
Arbeitsbereich
Empfindlichkeit / Sensitivität
Selektivität
Stabilität
Ansprechzeit
Lebensdauer
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Amperometrie
• Messung von Diffusionsgrenzströmen
zwischen Messelektrode und
Referenzelektrode bei konstantem Potential
• Strom ist abhängig von Konzentration,
Temperatur und eingestelltem Potential
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Amperometrie
Verwendung:
• Analyse von Lösungen und Gasen
• z.B.: Gasanalytik (u.a. Clarkelektrode),
Biosensorik
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Amperometrische Sensoren
U pol  U Z  EGE  I  R
Upol = wirksame Spannung an der Arbeitselektrode
Uz = wählbare Zellspannung
EGE = Eigenspannung der Bezugselektrode
I*R = Spannungsabfall der Zelle
Abb. 2
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Amperometrische Sensoren
Einteilung in:
• Sensoren mit freier Arbeitselektrode
• Sensoren mit membranbedeckter
Arbeitselektrode
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Amperometrische Sensoren
Vorteile:
• Sehr empfindliche Messmethode: selbst
kleinste Ströme und Konzentrationen messbar
(ppb-Bereich)
Probleme:
• Oftmals Querempfindlichkeiten
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Clark-Elektrode
• Bestimmung des Partialdrucks von Sauerstoff
in Lösungen oder Gasen
• Trennung von Probe und Arbeitselektrode
durch sauerstoffdurchlässige Teflonmembran
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Clark-Elektrode
Abb. 3: Aufbau einer Clarkelektrode
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Tauchgeber nach Züllig
• Membranloser Tauchgeber
mit konzentrisch
angeordneter Mess- und
Gegenelektrode
•
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•
•
•
Abb. 4
1 Messelektrode
2 Gegenelektrode
3 Träger für Korundstäbe
4 Antriebsachse
5 Ausfräsung für den
Hubantrieb des die
Elektrode umfangenden
Bechers 6
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Potentiometrie
• Messung der Spannungsdifferenz zwischen
zwei Elektroden
• stromlos
• Grundlage ist die Nernst-Gleichung
RT  aOx
E  E0 
 ln
zF
 aRe d
a  f c

RT  cOx
  E0 
 ln
zF

 cRe d
 RT  f Ox
 
 ln
 zF
 f Re d



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Ionenselektive Sensoren
• Trennung der zu bestimmenden Spezies vom
Sensor durch eine Membran
• Flüssigmembran oder Feststoffmembran
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Ionenselektive Sensoren
• Feststoffmembran: z.B.
Lantanfluorid-Elektrode
Abb. 5
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Querstörungen
ai = Aktivität Mession
aj = Aktivität Störion
z = Ladungszahl
Mession / Störion
kij =
Selektivitätskoeffizient
Abb. 6
•
Nikolskij-Nernst-Gleichung:
 zi 

 
 zj  
R T

E  E0 
 ln ai   K ij  a j  
zi  F 



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Ionenselektive Sensoren
• Vergleich beider
Chromatogramme zeigt,
dass die Fluorelektrode
die Fluorverbindung
selektiv und
empfindlicher erfasst
Abb. 7
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Lambdasonde
• Messung des
Sauerstoffgehalts im
Autoabgas
• Bestimmung des
Verhältnisses von
zugeführtem
Luftsauerstoff zu
verbrauchtem Kraftstoff
• O2  4e  2O2
Abb. 8: Lambdasonde;
links: schematischer Aufbau;
rechts: Bauteil
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Lambdasonde
•
 m(Luft) 


 m(Kraftstoff)  aktuell

 m(Luft) 


 14,7 : 1
 m(Kraftstoff)  stöchiometrisch
• λ=1: ideale Mischung, WICHTIG für
Abgaskatalysator
, Rh

 2 CO2  N2
• 2 CO  2 NO Pt,Pd
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Quellenverzeichnis
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•
•
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•
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•
•
C. M. A. Brett, A. M. Oliveira Brett, Electrochemistry, Oxford Science Publications, Oxford, 1993,
Kapitel 13+14
P. Gründler, Chemische Sensoren, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2004
V. Milnik; Elektrophysiologie, Elsevier, München, 2009, 1. Auflage, S. 172
F. Oehme, Chemische Sensoren, Vieweg, Braunschweig, 3. Auflage, Kapitel 5
A. Dominik, D. Steinhilber, Instrumentelle Analytik, Deutscher Apotheker Verlag, Stuttgart,
2. Auflage, S. 206f
http://www.vias.org/mikroelektronik/sensor_lamdasonde.html, abgerufen am 02.01.2011,
17:32
http://www.physik.uni-kl.de/blau/16_2004-07-02_ChemischeSensoren.pdf, abgerufen am
02.01.2011, 17:48
http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/03/03H083/t3.pdf, abgerufen am 03.01.2011,
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http://www.sartorius.com/fileadmin/sartorius_pdf/Prospekt/deutsch/ElektroAnalytik_Handbuc
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H. Hug, W. Reiser, Physikalische Chemie, Europa Lehrmittel, XXXXXXX, 2002, 2. Auflage, S. xxx
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Potentiometrische und amperometrische Sensoren