溶解二氧化碳浓度传感器：光学法与电化学法的原理与技术对比

溶解二氧化碳浓度的精确测量是生物制药、环境科学、食品饮料、水产养殖等多个领域的关键需求。目前，主流溶解CO₂传感器主要基于光学法和电化学法两大技术路线，二者在测量原理、性能表现和应用场景上各有侧重。深入理解其核心原理与技术差异，是进行传感器选型、确保测量准确性和实现特定应用目标的基础。

一、光学法：基于非色散红外与荧光淬灭的原理

光学法主要包括非色散红外吸收法和荧光淬灭法，其核心在于通过光与CO₂分子的相互作用来间接或直接测量其浓度，不消耗CO₂，具备优异的长期稳定性。
1、非色散红外吸收法
测量原理：其基础是CO₂分子在特定红外波段（如4.26 μm）具有强烈的特征吸收。传感器内部，红外光源发出的光穿过充满样品气体的气室（该气体通过透气膜与待测溶液中的CO₂达到平衡），然后被红外探测器接收。溶液中CO₂浓度越高，渗透到气室中的CO₂就越多，对红外光的吸收就越强，探测器接收到的信号就越弱。通过测量光强的衰减量，并根据朗伯-比尔定律进行计算，即可精确得到CO₂分压或浓度。
技术特点：
选择性高：基于特征吸收，抗其他气体干扰能力强。
精度高、稳定性好：不受溶液离子强度、pH、氧化还原物质影响，漂移小，校准周期长（可达数月）。
响应速度相对较慢：受透气膜平衡过程限制，通常响应时间（T90）在1-3分钟。
成本较高：光学和机械结构复杂。
2、荧光淬灭法
测量原理：传感器覆盖一层CO₂敏感荧光染料膜，该染料在特定波长激发下会发出荧光，其荧光强度或寿命会因环境中CO₂浓度不同而发生可逆变化（淬灭）。溶液中CO₂通过透气膜扩散进入染料层，改变染料微环境的pH，进而改变其荧光特性。通过测量荧光信号（强度或相位），并与CO₂浓度建立定量关系。
技术特点：
可微型化、无耗材：探头可做得很小，适用于小体积样品（如微孔板、生物反应器）。
响应速度快：得益于薄膜设计，T90可达数十秒。
对压力变化不敏感。
可能受其他荧光物质或淬灭剂干扰，染料膜存在光漂白和老化问题，需定期校准。

二、电化学法：基于pH传感的间接测量

电化学法是应用广泛的方法，本质上是通过测量CO₂引起的pH变化来间接推算其浓度。
测量原理：核心是一个pH敏感电极（通常是玻璃电极或离子敏场效应晶体管）和一个参比电极，共同封装在装有内充液（通常是碳酸氢钠溶液）的腔体内，腔体前端由一层透气膜（如硅橡胶、聚四氟乙烯）与样品隔离。溶解的CO₂透过透气膜扩散进入内充液，发生水合反应：CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻，改变内充液的pH值。pH电极精准测量这一pH变化，根据亨利定律、碳酸平衡常数及能斯特方程，即可计算出样品中的CO₂分压。
技术特点：
技术成熟、成本较低：结构相对简单，普及度高。
响应速度快：T90通常在30-60秒。
是间接测量：测量结果依赖于稳定的内充液组成、完好的透气膜以及恒定的温度。任何影响pH电极性能或CO₂扩散平衡的因素（如膜污染、内充液消耗、温度剧烈波动、）都会直接影响测量准确性。
需要定期维护：需更换内充液和透气膜，校准频率高（通常每周或每月）。

三、技术对比与应用选型

光学法与电化学法溶解CO₂传感器代表了两种不同的技术哲学。电化学法凭借其快速响应和成本优势，在需要频繁移动测量或对成本敏感的传统领域仍占一席之地，但其维护需求和间接测量的局限性在长期连续监测中愈发凸显。光学法，尤其是NDIR技术，以其高精度、高稳定性、低维护的核心优势，正日益成为生物反应器控制、环境长期观测、水产养殖等对数据可靠性要求严苛场景的理想选择。荧光法则在微型化、快速响应和生物兼容性方面展现出其价值。

选型决策应基于核心需求：若追求数据的长期绝对可靠性与低全生命周期维护成本，光学法是更优选择；若初始预算有限且可接受定期维护，电化学法仍具实用性。随着光学器件成本下降和智能化发展，光学法正逐步扩大其应用版图，推动溶解CO₂监测向更精准、更可靠、更智能的方向演进。