Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) sind Chemikalien, die als Gase emittiert werden und gesundheitsschädliche Auswirkungen haben können. Sie kommen unter anderem häufig in Farben, Arzneimitteln und Kältemitteln vor, können aber auch als Marker für Sprengstoffe, Insektenbefall, verdorbene Lebensmittel und Krankheiten dienen.
Die Rückverfolgung von VOCs ist wichtig für die öffentliche Sicherheit und alle mit „Geruch“ verbundenen Probleme. Zu diesem Zweck führten Liu und Kollegen ein auf Strömungsmechanik basierendes Kammerdesign für eine elektronische Nase (E-Nose) ein, das VOCs in niedrigen Konzentrationen konsistent erkennt. Die Strategie, die die Verwendung eines Shunt-ähnlichen Geräts zur Steuerung des Verhaltens des Flüssigkeitsflusses umfasst, ist ein Fortschritt in der Entwicklung der E-Nose-Technologie. Ihr Artikel „Controlling Fluidic Behavior for Ultrasensitive Volatile Sensing“ wurde in veröffentlicht Rezensionen zur Angewandten Physik am 23. Mai 2023.
Methoden zum Nachweis von VOCs stehen vor vielen Herausforderungen hinsichtlich Selektivität, Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität. E-Nasen, die vom olfaktorischen System inspiriert sind, können einige dieser Barrieren überwinden, indem sie Arrays chemischer Sensoren mit Mustererkennungstechniken kombinieren, um Gerüche zu erkennen.
Allerdings erzeugen viele E-Nasen unterschiedliche Signale gegenüber VOCs gleicher Konzentration, wenn sich der Sensor in unterschiedlichen Teilen der „Nasen“-Kammer befindet.
„Um diesem Problem entgegenzuwirken, muss das Strömungsverhalten des Gasstroms gut kontrolliert werden“, sagte Autor Weiwei Wu. „Dies sorgt für ein gleichmäßiges Fluidfeld und eine gleichmäßige Konzentration der VOCs in der Kammer und vermeidet die Entstehung gefälschter Sensoreigenschaften.“
Das anfängliche E-Nose-Design verfügte über eine vertikale Kammer, die einem Duschkopf sehr ähnelte. Dies fördert die vertikale Strömung, da sich das Gas durch Löcher an der Unterseite des Geräts und rundherum zu gleichmäßig verteilten Sensoren ausbreitet.
Mithilfe von Simulationen der Strömungsmechanik optimierte das Team das Volumen, die Symmetrie, die Lochposition und die Sensorposition ihrer E-Nose-Kammer. Sie fügten ein Shunt-ähnliches Gerät hinzu, um den Flüssigkeitsfluss zu fördern und die Reaktionszeit zu verkürzen.
Basierend auf ihren Simulationsergebnissen stellten die Forscher eine Teflonkammer her und maßen die Sensorleistung ihrer E-Nase. Sie verglichen zwei Kammern, eine mit und eine ohne Shunt. Die Kammer mit dem Shunt-Gerät war bei der Erkennung einer Beispiel-VOC durchweg etwa 1,3-mal besser.
In Zukunft planen die Autoren, sich auf die Minimierung der Kammer und die weitere Verbesserung der Struktur zu konzentrieren, um die Reaktions- und Erholungszeit zu verkürzen.
„Die E-Nasen-Forschung ist ein äußerst interdisziplinäres Feld“, sagte Wu. „Chemiker, Physiker, Biologen, Elektronikingenieure und Datenwissenschaftler müssen zusammenarbeiten, um Probleme zu lösen, darunter eine effektive Sensorik, die die grundlegenden Mechanismen der Absorption/Desorption berücksichtigt, Algorithmen, die eine präzisere Erkennung von VOCs schneller und mit geringerem Energieverbrauch erreichen, und wie.“ Neue Technologien wie Memristoren sollten einbezogen werden.
Mehr Informationen:
Steuerung des Fluidverhaltens für hochempfindliche flüchtige Sensoren, Rezensionen zur Angewandten Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0141840