Датчик летучих органических соединений измеряет количество ЛОС в помещении. Это важный инструмент для мониторинга качества воздуха в помещениях (IAQ), поскольку он выявляет загрязнители, представляющие опасность для здоровья человека. Например, датчик ЛОС предупреждает вас, когда в здании слишком много природного газа. Почему? Природный газ состоит в основном из метана и является высоко горючим. Избыточная концентрация природного газа может вызвать искру или взрыв в сочетании с другими горючими газами или парами. Датчик летучих органических соединений — один из самых важных датчиков в вашем арсенале средств контроля IAQ, поскольку многие загрязнители воздуха в помещениях являются органическими соединениями. К ним относятся формальдегид, бензол и трихлорэтилен — химические вещества, которые также опасны для нашего здоровья. Датчик ЛОС может точно определить, есть ли утечка в водопроводе или кто-то снова использовал растворитель для краски или другой растворитель в комнате отдыха! Продолжайте читать, чтобы узнать больше о том, почему этот датчик необходим для обеспечения здоровой среды в помещении!
Что такое ЛОС и датчики ЛОС?
Летучие органические соединения
Летучие органические соединения (ЛОС) — это химические вещества, которые при комнатной температуре имеют высокое давление паров и выделяются в атмосферу. Эти соединения широко распространены в различных потребительских товарах, топливе и промышленных процессах. Примерами ЛОС являются бензол, толуол, этилен, формальдегид и ксилол. ЛОС могут оказывать ряд негативных воздействий на здоровье человека и окружающую среду, включая раздражение дыхательных путей, головные боли, раздражение глаз и носа. Они также могут способствовать образованию приземного озона, который является основным компонентом смога. Кроме того, некоторые ЛОС могут накапливаться в окружающей среде и потенциально оказывать долгосрочное воздействие на здоровье.
Датчики ЛОС
Датчики ЛОС — это устройства, используемые для обнаружения и измерения концентрации ЛОС в воздухе. Эти датчики работают с помощью чувствительного химического элемента или электронных компонентов, которые обнаруживают присутствие ЛОС. Когда ЛОС присутствуют в воздухе, они вступают в реакцию с химическими веществами, присутствующими в датчике, и генерируют электрический заряд. Затем этот заряд измеряется датчиком, и можно определить концентрацию ЛОС.
Применение датчиков VOC
• Мониторинг выбросов автомобилей: датчики ЛОС используются в автомобильной промышленности для мониторинга и измерения количества опасных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу. Это помогает обеспечить соответствие автомобилей нормам выбросов.
• Мониторинг качества воздуха в помещениях: датчики ЛОС могут использоваться для мониторинга качества воздуха в помещениях больниц, школ и других общественных зданий. Это помогает обеспечить безопасность воздуха внутри здания и отсутствие в нем вредных загрязняющих веществ.
• Мониторинг промышленных процессов: датчики ЛОС используются для мониторинга промышленных процессов, таких как ферментация и дистилляция. Это обеспечивает эффективность и безопасность процесса.
• Мониторинг окружающей среды: датчики ЛОС могут использоваться для мониторинга окружающей среды, например, в пробах воды и почвы, для обнаружения наличия загрязняющих веществ или других загрязнителей. Это помогает обеспечить безопасность и здоровье окружающей среды.
Как работают датчики ЛОС?
Датчики ЛОС обычно используют одну из двух различных технологий для измерения присутствия ЛОС: фотоионизационные детекторы (PID) или датчики на основе металлооксидных полупроводников (MOS).
Фотоионизационные детекторы (PID)
Фотоионизационные детекторы измеряют концентрацию ЛОС путем ионизации молекул ЛОС с помощью ультрафиолетового света. Ионы, созданные ультрафиолетовым светом, проходят через камеру, где они обнаруживаются и измеряются электростатическим полем. Измеренные ионы преобразуются в измеримый электрический ток, а затем отправляются на считывающее устройство для дальнейшего анализа.
MOS-датчики
Датчики на основе металлооксидного полупроводника (MOS) работают с использованием металлооксидной пленки, чувствительной к ЛОС. Когда ЛОС вступает в контакт с металлооксидной пленкой, это вызывает изменение электрических свойств пленки, которое затем измеряется датчиком. Электрический сигнал от датчика затем отправляется на считывающее устройство для дальнейшего анализа.
Как PID-, так и MOS-датчики используются в различных областях, таких как мониторинг качества воздуха в помещениях, мониторинг выбросов, контроль технологических процессов и мониторинг окружающей среды. Они могут использоваться для обнаружения различных летучих органических соединений, таких как формальдегид, толуол, бензол, ксилол и другие.
Типы датчиков ЛОС
Существует три основных типа распространенных датчиков газов VOC, основанных на принципах их работы:
- Электрохимические датчики ЛОС: например, основанные на сопротивлении, токе, импедансе и потенциале.
- Оптические датчики ЛОС: включая спектральное поглощение, флуоресценцию и визуализацию.
- Массовые датчики ЛОС: например, кварцевые микровесы и газовые датчики на основе поверхностных акустических волн.
Электрохимический датчик летучих органических соединений
Принцип обнаружения электрохимического датчика ЛОС заключается в адсорбции или реакции (физической или химической) газов ЛОС на поверхности газочувствительного материала, что приводит к изменению его электрических свойств, таких как сопротивление, ток, импеданс и потенциал.
Среди них наиболее широко используемым типом датчика ЛОС на основе полупроводниковых оксидов металлов является проводящий тип, который играет важную роль в современной области газового зондирования. В зависимости от электрических устройств обнаружения газов, их можно разделить на обычные двухэлектродные проводящие системы обнаружения и трехэлектродные системы обнаружения с полевым транзистором. На основе газочувствительных материалов VOC их можно классифицировать как полупроводниковые оксиды металлов, проводящие полимеры, наноматериалы (такие как нульмерные золотые нанокластеры, одномерные углеродные нанотрубки или кремниевые нанопроволоки и многомерный графен) и пористые материалы.
Полупроводниковый датчик проводимости на основе оксида металла
Полупроводниковые газовые датчики на основе оксидов металлов обнаруживают газы, используя свойство полупроводника изменять сопротивление или работу выхода при контакте с газом. Полупроводниковые датчики являются одними из самых ранних и наиболее совершенных газовых датчиков.
Еще в 1936 году было обнаружено, что проводимость Cu20 изменяется при адсорбции водяного пара. Сегодня полупроводниковые газовые датчики превратились в крупную систему благодаря своим преимуществам: простой конструкции, быстрой реакции, низкой стоимости, стабильности и простым схемам, среди которых наиболее зрелыми являются исследования ZnO и SnO2.
Однако недостатками полупроводниковых газовых датчиков на основе оксидов металлов являются относительно высокая рабочая температура, низкая селективность по газам и склонность к отравлению. Поэтому были разработаны и применяются некоторые новые типы датчиков, такие как металлоорганические композиты и газовые датчики на основе полупроводников, легированных тяжелыми металлами.
Нуль-мерный датчик проводимости наноматериала
Как известно, наноструктуры очень чувствительны к химической среде и могут использоваться в качестве газочувствительных материалов с ультравысокой чувствительностью. Нулевые золотые нанокластеры привлекли широкое внимание в области сенсорики благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам.
Золотые нанокластеры не только демонстрируют поведение квантовых точек нульмерных металлических ядер, но и проявляют поверхностные взаимодействия с лигандами. Внутреннее золотое ядро обеспечивает проводящий канал для электронов, а внешняя органическая оболочка действует как изолирующий слой, обеспечивая селективный адсорбционный интерфейс для летучих органических соединений (ЛОС). Адсорбция ЛОС приводит к расширению монослойных золотых нанокластеров, увеличивая расстояние между золотыми ядрами, что приводит к снижению проводимости и увеличению сопротивления. Монослойные золотые нанокластеры обычно наносятся на интегрированные электроды с помощью распылительного покрытия.
Характеристики электрического отклика однослойных золотых нанокластеров на ЛОС связаны не только с изменениями электронной проводимости между золотыми ядрами, вызванными адсорбцией ЛОС, но и с энергией активации. Энергия активации связана с процессом зарядки между золотыми нанокластерами и тесно связана с диэлектрической проницаемостью ЛОС. На основе сил взаимодействия между различными функционализированными золотыми нанокластерами и ЛОС проектируются и выбираются типы и структуры органических тиолов, такие как сила Ван-дер-Ваальса (алкилтиол), сила поляризационной индукции (диметилфталат), полярность (метокси) и водородная связь (бензотиазол). Массив датчиков ЛОС построен на основе характеристик перекрестной селективности различных золотых нанокластеров к ЛОС.
Газовые датчики проводимости на основе нанопористых материалов
В этом разделе рассматривается использование нанопористых материалов, в частности нанопористых кремниевых фотонных кристаллов, в качестве материалов для газовых датчиков благодаря их большой площади поверхности и способности адсорбировать газ. Уникальные оптические и электрические свойства нанопористого кремния делают его перспективным материалом для применения в газовых датчиках ЛОС.
Датчики проводимости на основе полимерных материалов
Проводящие полимерные материалы широко используются в газовых датчиках благодаря своим электрическим и оптическим свойствам, механической гибкости и электрохимическим окислительно-восстановительным характеристикам. В этом разделе основное внимание уделяется использованию сопряженных полимерных материалов, таких как фталоцианиновые полимеры, полипиррол, полианилин, порфирины и металлопорфириновые комплексы, в качестве материалов для газовых датчиков. Хотя взаимодействие между большинством ЛОС и проводящими полимерными материалами слабое, использование анализа главных компонент позволяет идентифицировать и дифференцировать ЛОС на основе их физического взаимодействия с материалом.
Оптические датчики ЛОС
Газовые датчики, основанные на оптических сигналах, обладают такими преимуществами, как высокая устойчивость к электромагнитным помехам, быстрая реакция и простота внедрения для онлайн-мониторинга органических газов.
Существуют различные типы оптических датчиков, основанных на принципах их работы, включая метод отражающей интерференции, ультрафиолетово-видимую абсорбционную фотометрию, колориметрический метод, метод флуоресценции, метод поверхностного плазмонного резонанса и технологию волоконно-оптического зондирования. Оптические газочувствительные материалы включают традиционные порфирины и металлопорфирины, молекулы флуоресцентных красителей, индикаторы pH и новые типы биомиметических фотонных кристаллов.
Датчики, основанные на принципе оптического поглощения
Спектроскопические газовые датчики поглощения обнаруживают ЛОС на основе изменения интенсивности или смещения спектра поглощения газочувствительных материалов после адсорбции ЛОС. К распространенным газочувствительным материалам относятся индикаторы pH, сольватахромные красители и металлопорфирины.
Цветной визуальный датчик летучих органических соединений
Визуальный газовый датчик представляет собой новую технологию оптического зондирования и важную тенденцию в развитии сенсорных технологий. Он отображает характерную информацию о запахах в виде изображений, что также известно как визуальное обоняние.
По сравнению с традиционными электрохимическими и флуоресцентными сигналами датчиков, колориметрический выходной сигнал является наиболее простым способом для разработки технологии обнаружения невооруженным глазом, сводя к минимуму необходимость в модулях оборудования для преобразования сигналов. Он может обеспечить практическое обнаружение на месте для нетехнического персонала или конечных пользователей. В настоящее время для визуализации ЛОС используются такие сенсорные материалы, как полидиацетиленовые бумажные чипы, нановолокна метиленового желтого 6, микропористые полимеры с интерференцией Фабри-Перо и супрамолекулярные комплексы «хозяин-гость».
Система обнаружения использует CMOS-датчик изображения для сбора информации об изменениях спектра визуального датчика до и после реакции с измеряемым газом. Посредством таких процессов, как предварительная обработка изображения, извлечение признаков и сопоставление с эталоном, она обеспечивает идентификацию концентрации и вида газа. Порфирин и металлопорфирин, чувствительные к газу материалы, значительно способствовали развитию визуальных датчиков ЛОС.
Датчик ЛОС, основанный на принципе оптической интерференции
Фотонные кристаллы (ПК) — это диэлектрические материалы с периодическими изменениями показателя преломления в пространстве, периодичность которых находится в том же порядке величины, что и длина волны света. Главной особенностью ПК является наличие фотонного запрещенного интервала (ФЗИ) в его зонной структуре, которая состоит из фотонной зоны проводимости и фотонной валентной зоны, периодической искусственной микроструктуры с характеристиками ФЗИ.
Когда электроны в полупроводниковом материале распространяются в периодическом потенциальном поле решетки, из-за Брэгговского рассеяния образуются зонные структуры, а между зонами появляются запрещенные зоны. Если энергия электронной волны попадает в запрещенную зону, распространение запрещено.
Подобно модуляции волновых функций электронов в полупроводниковой решетке, показатель преломления света в фотонных кристаллах периодически изменяется, и при распространении в них электромагнитных волн возникает структура запрещенной зоны света. Распространение световых волн в фотонной запрещенной зоне запрещено. В принципе, контроль движения фотонов может быть достигнут путем проектирования и изготовления фотонных кристаллов и устройств на их основе, что имеет важное значение для разработки различных оптических устройств, оптоволоконной связи и фотонных компьютеров. Одним словом, фотонные кристаллы обладают функцией фильтрации, выборочно пропуская определенные полосы света и блокируя другие длины волн.
Флуоресцентные датчики ЛОС
Датчики ЛОС, основанные на принципе флуоресцентного излучения, представляют собой значительный прорыв в аналитической химии. Эти датчики обладают такими характеристиками, как высокая чувствительность, хорошая селективность и высокая устойчивость к электромагнитным помехам. Однако эти датчики часто сталкиваются с такими проблемами, как сложность маркировки и низкая повторяемость. На структуру, стереохимию и эффективность флуоресценции флуоресцентных молекул могут влиять внешние факторы, такие как влажность, полярность и pH, что, в свою очередь, может влиять на форму и интенсивность их флуоресцентных спектров.
Датчики SPR VOC
SPR (поверхностный плазмонный резонанс) — это физическое оптическое явление, связанное с затухающим полем. Оно возникает, когда свет подвергается полному внутреннему отражению на границе раздела между стеклом и металлической пленкой, создавая затухающую волну, которая может вызывать поверхностные плазмонные волны на металлической поверхности за счет генерации свободных электронов.
При определенных условиях угла падения или длины волны частота и волновое число поверхностной плазмонной волны и затухающей волны резонируют, и падающий свет поглощается, что приводит к появлению резонансного пика в спектре отражения. Адсорбция газа на поверхности металлической пленки изменяет ее толщину или показатель преломления, тем самым изменяя резонансный пик (резонансный угол или резонансную длину волны). Технология SPR — это новый метод обнаружения газа, обладающий такими преимуществами, как простая конструкция, высокая чувствительность и широкий диапазон обнаружения.
Передовые научные исследования в области датчиков ЛОС
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, сообщается о разработке высокочувствительного датчика летучих органических соединений (ЛОС) на основе обонятельных рецепторов, восстановленных в липидном бислое и используемых в специально разработанной системе газового потока для быстрого обнаружения на уровне частей на миллиард (ppb). Исследование демонстрирует потенциал использования биологического обонятельного сенсора в системах диагностики дыхания и мониторинга окружающей среды. Обонятельные рецепторы в живых организмах могут распознавать различные ЛОС с уровнем обнаружения, соответствующим одной молекуле, что делает их гораздо более селективными и чувствительными по сравнению с существующими датчиками ЛОС, использующими искусственные материалы. Исследование преодолевает проблемы низкой растворимости ЛОС путем разработки системы газового потока, которая эффективно вводит ЛОС в водные капли и повышает вероятность обнаружения массива липидных бислоев. В качестве практического примера в исследовании демонстрируется обнаружение 1-октан-3-ола (октанола) на уровне частей на миллиард (ppb), который является биомаркером в дыхании человека, с помощью датчика ЛОС, состоящего из обонятельных рецепторов, восстановленных в липидной бислойной мембране. (здесь можно узнать больше о деталях этого исследования датчика ЛОС)
В статье объясняется, что датчики ЛОС (летучих органических соединений) работают путем обнаружения изменений в электропроводности, когда молекулы ЛОС связываются с поверхностью датчика. Датчики состоят из тонкой пленки проводящего полимера, которая покрыта слоем материала, поглощающего определенные ЛОС. Когда ЛОС связываются с поглощающим слоем, они изменяют электропроводность проводящей полимерной пленки, что можно измерить и использовать для обнаружения присутствия и концентрации ЛОС. В статье также описываются некоторые последние достижения в области технологии датчиков ЛОС, в том числе использование алгоритмов машинного обучения для повышения точности датчиков и разработка гибких носимых датчиков.
Как измерить ЛОС?
Поиск источника ЛОС с помощью датчика ЛОС
Есть несколько шагов, которые вы можете предпринять, чтобы найти источник ЛОС с помощью датчика ЛОС. Во-первых, вам следует посмотреть показания монитора качества воздуха в помещении. Если уровни ЛОС высоки, то вам следует исследовать проблемные зоны. Вы также можете использовать датчик ЛОС, чтобы получить образец воздуха в определенной зоне здания. Затем образец необходимо отнести к датчику для получения более точных показаний. Датчик укажет, есть ли проблема в зоне, где был взят образец. Датчик также укажет тип проблемы, если анализатор сможет ее обнаружить.
Выявление проблемных газов с помощью правила «Право на информацию»
Правило «Право на информацию» — это нормативный акт, который требует, чтобы коммерческие датчики ЛОС обнаруживали определенный набор ЛОС. К ним относятся ацетон, бензол, четыреххлористый углерод, формальдегид, сероводород и трихлорэтилен. Правило «Право на информацию» также применяется к другим датчикам качества воздуха в помещениях. Например, датчики углекислого газа должны обнаруживать уровни CO2 выше 19 ppm. Датчики диоксида азота должны обнаруживать уровни NO2 выше 0,5 ppm. Датчики температуры и относительной влажности должны обнаруживать температуру выше 35 градусов по Фаренгейту или относительную влажность выше 45 процентов.
Обнаружение утечек с помощью датчика VOC
Вы можете использовать датчик ЛОС для обнаружения утечек в системе. Вам необходимо настроить датчик так, чтобы он искал определенный газ. При наличии утечки датчик покажет, что уровень этого газа выше или ниже нормы. Однако будьте осторожны! Вы должны быть уверены, что не получаете ложные показания из-за присутствия газа в атмосфере. Например, если вы контролируете природный газ, вы также получите показания по углекислому газу. Вы можете решить эту проблему, взяв несколько проб из разных мест в здании.
Заключение
Датчик ЛОС является важным инструментом для мониторинга качества воздуха в помещениях (IAQ), поскольку он выявляет загрязнители, представляющие опасность для здоровья человека. Датчики ЛОС могут помочь вам найти источник загрязнителей, выявить проблемные газы и обнаружить утечки в системе. Если вы обнаружили утечку или проблему, вам следует принять меры для исправления ситуации как можно скорее.
