一种基于离子浓度差电池的

一种基于离子浓度差电池的
13
c传感器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及浓差电池领域，具体涉及一种基于离子浓度差电池的
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c传感器及其制备方法。


背景技术：

2.13
c-尿素呼气试验(
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c－urea breath test，
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c-ubt)是当前世界临床医学较精准的一种无创检测方法，忽略临床医学中
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c标记的co2的产生过程，该检测方法最终利用一种高精度气体同位素比值质谱仪(gas isotopic ratio mass spectrometer，girms)来探测人体胃部呼出气体中
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c标记的co2的量，以此判定hp的感染情况。当前，国内在临床医学上对hp感染情况的无创探测方法基本上采用此种方式。然而，girms仪器的使用上，由于价格昂贵。
3.因此需要一种造价低廉的材料选择和稳定精确的算法实现，可使
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c传感器的设计简便易行，以打破欧
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c检测领域仪器设备使用的单一性和技术封锁。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于离子浓度差电池的
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c传感器及其制备方法，利用传感器技术设计一种
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c传感器，将非电cuso4浓度利用能斯特方程转换为相应的电参量，选择便宜的石墨烯涂料、电解液、活性炭、利用led灯带模拟太阳光，实现光照下活性炭对
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c标记的co2和cu
2+
离子的同时吸附，再利用只允许cu
2+
离子通过，不允许离子通过的半透膜以改变两电解液池中cuso4浓度，可代替昂贵的高精度气体同位素比值质谱仪。
5.一种基于离子浓度差电池的
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c传感器及其制备方法，
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c传感器包括敏感器件、传转器件和转化电路，并将敏感器件和传转器件组合；
6.上述制备方法包括如下步骤：
7.一、将敏感器件作为电极分别设置在左、右电解质液池中；
8.二、制备传转器件，将电解质池中装入活性炭颗粒和cuso4电解液，并进行光照；
9.三、利用下列方程，将石墨烯电极感应的cuso4浓度变换转化为相应的电势差，
[0010][0011]
其中，r为气体常数，t为温度，f为法拉第常数，a1和a2为化学反应中电子迁移变化前后电解液浓度的变化，
[0012]
左、右液池浓度变化后，其电动势如下所示：
[0013]
[0014][0015]
其中，e0为初始表观电势，n为电极反应中得失的电子摩尔数，left和right代表左、右电解质液池；
[0016]
四、通过电压或电流检测计配合转化电路将感应到的电势差转化开路的电压或电流，获得相应的电信号。
[0017]
优选的，将电解质池的成分设定为cuso4电解液和活性炭两种，两电解质池间用半透膜隔开，且电解质池的上方以可透光的薄膜封闭。
[0018]
优选的，光照采用led灯带替代太阳光，在电解质池的上方的薄膜上方贴附若干led灯带。
[0019]
优选的，敏感器件电极的外表面涂有石墨烯材料。
[0020]
本发明的优点在于：
[0021]
1、利用传感器技术设计一种
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c传感器，代替高精度气体同位素比值质谱仪的使用，可实现
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c检测过程的在便携式方向发展；
[0022]
2、利用合一的敏感和传转器件，将非电cuso4浓度利用能斯特方程转换为相应的电参量，代替高精度气体同位素比值质谱仪的电磁加速过程，避免不良辐射的产生；
[0023]
3、选择便宜的石墨烯涂料、电解液、活性炭、led灯带及电压或电流检测计可代替昂贵的高精度气体同位素比值质谱仪；
[0024]
4、利用led灯带模拟太阳光，实现光照下活性炭对
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c标记的co2和cu
2+
离子的同时吸附，再利用只允许cu
2+
离子通过，不允许so
24-离子通过的半透膜以改变两电解液池中cuso4浓度。通过此非电量的采集过程取代一般气敏传感器的氧化过程，增长传感器的使用寿命。
附图说明
[0025]
图1为本发明的方案原理示意图；
[0026]
图2为本发明中传感器的组成示意图；
[0027]
图3为本发明中明传感器组成设计示意图；
[0028]
图4为本发明中
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c传感器的制备方法图；
[0029]
图5为本发明中传感器的俯视图
[0030]
图6本发明检测方法的执行过程示意图；
具体实施方式
[0031]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0032]
如图1至图6所示，
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c传感器包括敏感器件、传转器件和转化电路，并将敏感器件和传转器件组合；
[0033]
制备方法包括如下步骤：
[0034]
一、将敏感器件作为电极分别设置在左、右电解质液池中；
[0035]
二、制备传转器件，将电解质池中装入活性炭颗粒和cuso4电解液，并进行光照；
[0036]
三、利用下列方程，将石墨烯电极感应的cuso4浓度变换转化为相应的电势差，
[0037][0038]
其中，r为气体常数，t为温度，f为法拉第常数，a1和a2为化学反应中电子迁移变化前后电解液浓度的变化，
[0039]
左、右液池浓度变化后，其电动势如下所示：
[0040][0041][0042]
其中，e0为初始表观电势，n为电极反应中得失的电子摩尔数，left和right代表左、右电解质液池；
[0043]
四、通过电压或电流检测计配合转化电路将感应到的电势差转化开路的电压或电流，获得相应的电信号。
[0044]
如图1所示，通常情况下，传感器由敏感器件、传转器件和转化电路三部分组成。自然界的非电物理量通过敏感器件转换成与其有相应关系的非电量，该非电量通过传转器件转换成相应的电参量，最终，通过转化电路将所得电参量转化为相应的电压、电流或频率等信息，特别指出，不是所有的传感器都是由敏感器件和传转器件组成的，有的是将二者合二为一。
[0045]
如图2所示，本发明将根据传感器的技术背景，利用具有石墨烯涂层的电极作为敏感器件，“感受”两电解池中cuso4浓度的变化(非电量)，将敏感器件和传转器件合二为一，利用能斯特方程通过两电解池中cuso4浓度的变化得到相应的电极电势差(电参量)。最终利用电压或电流检测计(转化电路)，检测开路的电压或电流，获得相应的电信号。
[0046]
本发明的技术方案执行如图3所示。据传感器的组成，将本发明的
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c传感器设定为三个感应器件，即敏感器件、传转器件和转换电路，并将敏感器件和传转器件部分合二为一；
[0047]
据石墨烯的材质坚硬和电子迁移率高的特性，将敏感器件的电极设定为涂有石墨烯材料的电极，易于cu
2+
离子在半透膜间的迁移，益于电动势的持续产生；
[0048]
据光照条件下，活性炭对
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c标记的co2和cu
2+
离子同时具有吸附作用，将电解质池中装入活性炭颗粒和cuso4电解液，并通过led灯带模拟太阳光对其进行照射，使得活性炭能更好的同时吸附
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c标记的co2和cu
2+
离子，进而以cu
2+
离子迁移情况代表
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c标记的co2的存量；
[0049]
利用能斯特方程，将石墨烯电极感应的cuso4浓度(cu
2+
离子迁移使cuso4浓度变化)变换转化为相应的电势差；
[0050]
通过电压或电流检测计将感应到的电势差转化开路的电压或电流，获得相应的电信号。
[0051]
具体实施方式及原理：
[0052]
本发明将传统传感器的三个组成部分，利用浓差电池的特性划分为两个部分，即部分1为敏感器件和传转器件的组合，部分2为转化电路。其核心制备方法为通过石墨烯电极感受电解质池中cuso4浓度的变化(石墨烯电极可感受cu
2+
离子迁移，即可感受cuso4浓度的变化)，并用其代表流入的胃部气体中
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c标记的co2的存量，进而利用能斯特方程将其转换为电压或电流相关的电动势。其中，cuso4浓度变化的原因是利用活性炭在关照情况下，对
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c标记的co2和cu
2+
离子同时具有吸附作用。同时，利用只允许cu
2+
离子通过，不允许so2
4-离子通过的半透膜，实现cu
2+
离子在电解质双池的数量变化，从而实现cuso4浓度变化。最终利用电压或电流检测计的转化电路将能斯特方程转换的电动势转化为相应的电信号，实现离子浓差电池原理下的
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c传感器的制备。
[0053]
本发明基于离子浓度差电池的
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c传感器设计思想及其制备方法，如图4所示，为更好的展示本发明的思想和方法，其俯视图如图5所示。
[0054]
本发明的核心算法是能斯特方程，因此，本发明的最佳实施方式将围绕其展开说明，其直接关乎到本发明
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c传感器的电信号的产生。原理上，能斯特方程电动势转换实现是利用化学反应将电解液的前后浓度变化转换为相应的电动势，即如式(1)所示。
[0055][0056]
其中，r为气体常数，t为温度，f为法拉第常数，a1和a2为化学反应中电子迁移变化前后电解液浓度的变化。
[0057]
如图4所示，本发明利用左、右液池浓度变化后，其电动势为式(2)所示。
[0058][0059][0060]
其中，e0为初始表观电势，是指半透膜交界处由于左、右池电解液的初始浓度不同，使得离子迁移率不同，进而引起的初始电势差。n为电极反应中得失的电子摩尔数，left和right代表左、右电解质液池。
[0061]
本发明依然以能斯特方程，即式(1)的电动势转化为依托，区别在于，在原有的能斯特方程转化中，a1和a2为化学反应中电子迁移变化前后电解液浓度的变化。而本发明中，a
′1和a
′2为经过活性炭吸附cu
2+
离子后，cu
2+
离子迁移所形成的cuso4浓度的前后变化，即本发明利用活性炭在光照情况下对
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c标记的co2和cu
2+
离子同时吸附作用，出现cu
2+
离子迁移，进而形成电解质池中cuso4浓度的前后变化，从而等效原能斯特电动势转化过程中电解质液的化学氧化反应过程。最终利用涂有石墨烯材质的感应电极通过能斯特方程式(2)，将本发明左、右电解质池的cuso4浓度的前后变化转化为相应的电动势。
[0062]
本发明的具体制备条件和方法如图4和5所示，制备流程如图3所示，具体阐述如下。
[0063]
(1)利用离子浓差电池的实现原理，设定电解质池中电解液的浓度和电极：
[0064]
①
设定左、右两电解质池中不同的cuso4浓度，其中左侧电解质池的浓度为1mol/dm3，右侧为0.2mol/dm3，益于浓差电池电动势的产生和计算式(2)的初始表观电势e0；
[0065]
②
电极设定为涂有石墨烯材质的电极，该材质坚硬不易氧化损坏，且便于cu
2+
离子迁移，益于电动势的产生；
[0066]
③
左、右电解质池用半透膜隔开，该半透膜只允许cu
2+
离子通过，不允许离子通过，便于左、右电解质池cuso4浓度变化，益于电动势的持续产生，且便于得出式(2)的初始表观电势e0。
[0067]
(2)为等效传统电解液的化学反应过程，设定电解液池的成分及其他必要条件：
[0068]
①
设定电解质池的成分为cuso4电解液和活性炭，便于光照条件下，活性炭对
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c标记的co2和cu
2+
离子的同时吸附；
[0069]
②
在电解质池的上方以可透射led灯光的薄膜封闭，防止电解液的外溢或倾倒所导致的浓度检测不准确。此外，如图5所示，在薄膜上方贴附一定数量的led灯带，以模拟
①
中的光照条件。
[0070]
如此，(1)和(2)构成了传感器的部分1，即本发明通过led灯带模拟光照条件下活性炭对
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c标记的co2和cu
2+
离子的同时吸附，以实现cu
2+
离子的迁移所导致的cuso4浓度的前后变化，用于代表
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c标记的co2的存量，进而通过能斯特方程式(2)得到有关电压或电流的电动势，最终实现了敏感器件和传转器件的合二为一。因此，通过式(2)得到的左、右池电动势后，可得两池的电动势差为：
[0071][0072]
综上所述，结合图3-5，本发明的
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c传感器制备后，当胃部呼出的带有
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c标记的co2的气体进入图4和5所示的引导口后，检测方法的执行并最终获得电信号的过程如图6所示。
[0073]
基于上述，本发明利用传感器技术设计一种
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c传感器，将非电cuso4浓度利用能斯特方程转换为相应的电参量，选择便宜的石墨烯涂料、电解液、活性炭、利用led灯带模拟太阳光，实现光照下活性炭对
13
c标记的co2和cu
2+
离子的同时吸附，再利用只允许cu
2+
离子通过，不允许so
24-离子通过的半透膜以改变两电解液池中cuso4浓度，可代替昂贵的高精度气体同位素比值质谱仪。
[0074]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。