Der Sensor für flüchtige organische Verbindungen misst die Menge an VOCs in einem Raum. Er ist ein wichtiges Instrument zur Überwachung der Raumluftqualität (IAQ), da er Schadstoffe identifiziert, die ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Der VOC-Sensor warnt Sie beispielsweise, wenn sich zu viel Erdgas im Gebäude befindet. Warum? Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan und ist hochentzündlich. Eine zu hohe Konzentration von Erdgas kann in Verbindung mit anderen brennbaren Gasen oder Dämpfen einen Funken auslösen oder eine Explosion verursachen. Der Sensor für flüchtige organische Verbindungen ist einer der wichtigsten Sensoren in Ihrem Arsenal zur Überwachung der IAQ, da viele Schadstoffe in der Raumluft organische Verbindungen sind. Dazu gehören Formaldehyd, Benzol und Trichlorethylen – Chemikalien, die ebenfalls gesundheitsschädlich sind. Ein VOC-Sensor kann genau feststellen, ob Ihre Wasserversorgung undicht ist oder ob jemand wieder Malverdünner oder ein anderes Lösungsmittel im Pausenraum verwendet hat! Lesen Sie weiter, um mehr darüber zu erfahren, warum dieser Sensor für ein gesundes Raumklima unverzichtbar ist!
Was sind VOCs und VOC-Sensoren?
Flüchtige organische Verbindung
Flüchtige organische Verbindungen (VOC) sind chemische Substanzen, die bei Raumtemperatur einen hohen Dampfdruck aufweisen und in die Atmosphäre freigesetzt werden. Diese Verbindungen kommen häufig in einer Vielzahl von Konsumgütern, Kraftstoffen und industriellen Prozessen vor. Beispiele für VOCs sind Benzol, Toluol, Ethylen, Formaldehyd und Xylol. VOCs können eine Reihe negativer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt haben, darunter Reizungen der Atemwege, Kopfschmerzen sowie Augen- und Nasenreizungen. Sie können auch zur Bildung von bodennahem Ozon beitragen, einem Hauptbestandteil von Smog. Darüber hinaus können sich einige VOCs in der Umwelt anreichern und langfristig gesundheitliche Auswirkungen haben.
VOC-Sensoren
VOC-Sensoren sind Geräte, die zur Erkennung und Messung der Konzentration von VOCs in der Luft verwendet werden. Diese Sensoren arbeiten mit einem empfindlichen chemischen Element oder elektronischen Komponenten, um das Vorhandensein von VOCs zu erkennen. Wenn VOCs in der Luft vorhanden sind, reagieren sie mit den im Sensor vorhandenen Chemikalien und erzeugen eine elektrische Ladung. Diese Ladung wird dann vom Sensor gemessen und die Konzentration der VOCs kann bestimmt werden.
VOC-Sensor-Anwendungen
• Überwachung von Fahrzeugemissionen: VOC-Sensoren werden in der Automobilindustrie eingesetzt, um die Menge der in die Atmosphäre freigesetzten gefährlichen Schadstoffe zu überwachen und zu messen. Dies trägt dazu bei, dass Fahrzeuge die Emissionsvorschriften einhalten.
• Überwachung der Luftqualität in Innenräumen: VOC-Sensoren können zur Überwachung der Luftqualität in Krankenhäusern, Schulen und anderen öffentlichen Gebäuden eingesetzt werden. Dies trägt dazu bei, dass die Luft im Inneren des Gebäudes sicher und frei von schädlichen Schadstoffen ist.
• Überwachung industrieller Prozesse: VOC-Sensoren werden zur Überwachung industrieller Prozesse wie Fermentation und Destillation eingesetzt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Prozess effizient und sicher abläuft.
• Umweltüberwachung: VOC-Sensoren können zur Überwachung der Umwelt, z. B. in Wasser- und Bodenproben, eingesetzt werden, um das Vorhandensein von Schadstoffen oder anderen Verunreinigungen festzustellen. Dies trägt dazu bei, dass die Umwelt sicher und gesund ist.
Wie funktionieren VOC-Sensoren?
VOC-Sensoren verwenden in der Regel eine von zwei verschiedenen Technologien, um das Vorhandensein von VOCs zu messen: Photoionisationsdetektoren (PIDs) oder Metalloxid-Halbleiter-Sensoren (MOS).
Photoionisationsdetektoren (PIDs)
Photoionisationsdetektoren messen die Konzentration von VOCs, indem sie die Moleküle der VOCs mit UV-Licht ionisieren. Die durch das UV-Licht erzeugten Ionen durchlaufen dann eine Kammer, in der sie durch ein elektrostatisches Feld erfasst und gemessen werden. Die gemessenen Ionen werden in einen messbaren elektrischen Strom umgewandelt und dann zur weiteren Analyse an ein Auslesegerät gesendet.
MOS-Sensoren
Metalloxid-Halbleiter-Sensoren (MOS) arbeiten mit einer Metalloxidschicht, die empfindlich auf VOCs reagiert. Wenn ein VOC mit der Metalloxidschicht in Kontakt kommt, verändert sich deren elektrische Leitfähigkeit, was vom Sensor gemessen wird. Das elektrische Signal des Sensors wird dann zur weiteren Analyse an ein Auslesegerät gesendet.
Sowohl PID- als auch MOS-Sensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Überwachung der Raumluftqualität, zur Emissionsüberwachung, zur Prozesssteuerung und zur Umweltüberwachung. Sie können zur Erkennung einer Vielzahl von VOCs wie Formaldehyd, Toluol, Benzol, Xylol und anderen verwendet werden.
Arten von VOC-Sensoren
Es gibt drei Haupttypen gängiger VOC-Gassensoren, die sich in ihrer Funktionsweise unterscheiden:
- Elektrochemische VOC-Sensoren: beispielsweise solche, die auf Widerstand, Strom, Impedanz und Potenzial basieren.
- Optische VOC-Sensoren: einschließlich Spektralabsorption, Fluoreszenz und Visualisierung.
- Massen-VOC-Sensoren: z. B. Quarzkristall-Mikrowaagen und Oberflächenwellen-Gassensoren.
Elektrochemischer VOC-Sensor
Das Detektionsprinzip eines elektrochemischen VOC-Sensors basiert auf der Adsorption oder Reaktion (physikalisch oder chemisch) von VOC-Gasen an der Oberfläche eines gasempfindlichen Materials, was zu Veränderungen seiner elektrischen Eigenschaften wie Widerstand, Strom, Impedanz und Potential führt.
Unter den VOC-Sensoren auf Basis von Halbleiter-Metalloxiden ist der leitfähige Typ am weitesten verbreitet und spielt im aktuellen Bereich der Gasdetektion eine wichtige Rolle. Je nach ihrer elektrischen Detektionsvorrichtung für Gase lassen sie sich in gängige Zweielektroden-Leitfähigkeitsdetektionssysteme und Dreielektroden-Feldeffekttransistor-Detektionssysteme unterteilen. Basierend auf den VOC-gasempfindlichen Materialien lassen sie sich in Halbleiter-Metalloxide, leitfähige Polymere, Nanomaterialien (wie null-dimensionale Gold-Nanocluster, eindimensionale Kohlenstoff-Nanoröhren oder Silizium-Nanodrähte und mehrdimensionale Graphen) und poröse Materialien unterteilen.
Halbleiter-Metalloxid-Leitfähigkeitssensor
Halbleiter-Metalloxid-Gassensoren erkennen Gase, indem sie die Eigenschaft nutzen, dass sich der Widerstand oder die Austrittsarbeit eines Halbleiters ändert, wenn er mit einem Gas in Kontakt kommt. Halbleitersensoren gehören zu den ältesten und ausgereiftesten Gassensoren.
Bereits 1936 wurde entdeckt, dass sich die Leitfähigkeit von Cu20 verändert, wenn es Wasserdampf adsorbiert. Heute haben sich Halbleiter-Gassensoren aufgrund ihrer Vorteile wie einfacher Aufbau, schnelle Reaktion, geringe Kosten, Stabilität und einfache Schaltungen zu einem großen System entwickelt, wobei die Forschung zu ZnO und SnO2 am weitesten fortgeschritten ist.
Die Nachteile von Halbleiter-Metalloxid-Gassensoren sind jedoch, dass sie bei relativ hohen Temperaturen arbeiten, eine schlechte Gasselektivität aufweisen und anfällig für Vergiftungen sind. Daher wurden einige neue Sensortypen, wie metallorganische Verbundstoffe und mit Schwermetallen dotierte Halbleiter-Gassensoren, entwickelt und eingesetzt.
Null-dimensionaler Nanomaterial-Leitfähigkeitssensor
Wie allgemein bekannt ist, reagieren Nanostrukturen sehr empfindlich auf chemische Umgebungen und können als Gassensormaterialien mit extrem hoher Empfindlichkeit eingesetzt werden. Null-dimensionale Goldnanocluster haben aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften im Bereich der Sensorik große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Goldnanocluster weisen nicht nur das Quantenpunktverhalten von null-dimensionalen Metallkernen auf, sondern auch Oberflächenwechselwirkungen mit Liganden. Der innere Goldkern bildet einen leitfähigen Kanal für Elektronen, während die äußere organische Hülle als Isolierschicht fungiert und eine selektive Adsorptionsschnittstelle für flüchtige organische Verbindungen (VOCs) bildet. Die Adsorption von VOCs bewirkt eine Ausdehnung der einlagigen Goldnanocluster, wodurch sich der Abstand zwischen den Goldkernen vergrößert, was zu einer Verringerung der Leitfähigkeit und einer Erhöhung des Widerstands führt. Einlagige Goldnanocluster werden in der Regel mittels Sprühbeschichtung auf integrierte Elektroden aufgebracht.
Die elektrischen Reaktionseigenschaften von einlagigen Gold-Nanoclustern auf VOCs hängen nicht nur mit Veränderungen der elektronischen Leitfähigkeit zwischen den Goldkernen aufgrund der Adsorption von VOCs zusammen, sondern auch mit der Aktivierungsenergie. Die Aktivierungsenergie steht im Zusammenhang mit dem Ladevorgang zwischen Gold-Nanoclustern und hängt eng mit der Dielektrizitätskonstante der VOCs zusammen. Basierend auf den Wechselwirkungskräften zwischen verschiedenen funktionalisierten Goldnanoclustern und VOCs werden organische Thioltypen und -strukturen entworfen und ausgewählt, wie z. B. Van-der-Waals-Kraft (Alkylthiol), Polarisationsinduktionskraft (Dimethylphthalat), Polarität (Methoxy) und Wasserstoffbrückenbindung (Benzothiazol). Ein VOC-Sensorarray wird auf der Grundlage der kreuzselektiven Reaktionseigenschaften verschiedener Goldnanocluster auf VOCs aufgebaut.
Leitfähigkeits-Gassensoren auf Basis nanoporöser Materialien
In diesem Abschnitt wird die Verwendung von nanoporösen Materialien, insbesondere nanoporösen Silizium-Photonenkristallen, als Gassensormaterialien aufgrund ihrer großen Oberfläche und ihrer Gasadsorptionsfähigkeit behandelt. Die einzigartigen optischen und elektrischen Eigenschaften von nanoporösem Silizium machen es zu einem vielversprechenden Material für VOC-Gassensoranwendungen.
Leitfähigkeitssensoren auf Basis von Polymermaterialien
Leitfähige Polymermaterialien werden aufgrund ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften, ihrer mechanischen Flexibilität und ihrer elektrochemischen Redox-Eigenschaften häufig in Gassensoren verwendet. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Verwendung von konjugierten Polymermaterialien wie Phthalocyaninpolymeren, Polypyrrol, Polyanilin und Porphyrinen sowie Metallporphyrinkomplexen als Gassensormaterialien. Während die Wechselwirkung zwischen den meisten VOCs und leitfähigen Polymermaterialien schwach ist, ermöglicht die Verwendung der Hauptkomponentenanalyse die Identifizierung und Unterscheidung von VOCs auf der Grundlage ihrer physikalischen Wechselwirkung mit dem Material.
Optische VOC-Sensoren
Gassensoren, die auf optischen Signalen basieren, bieten die Vorteile einer starken elektromagnetischen Störfestigkeit, einer schnellen Reaktion und einer einfachen Implementierung für die Online-Überwachung organischer Gase.
Es gibt verschiedene Arten von optischen Sensoren, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren, darunter das reflektierende Interferenzverfahren, die UV-Vis-Absorptionsphotometrie, das kolorimetrische Verfahren, das Fluoreszenzverfahren, das Oberflächenplasmonresonanzverfahren und die Glasfasersensorik. Zu den optischen gassensitiven Materialien gehören traditionelle Porphyrine und Metalloporphyrine, fluoreszierende Farbstoffmoleküle, pH-Indikatoren und neue Arten von biomimetischen photonischen Kristallen.
Sensoren, die auf dem Prinzip der optischen Absorption basieren
Spektroskopische Absorptionsgassensoren erkennen VOCs anhand der Intensität oder Verschiebung des Absorptionsspektrums gasempfindlicher Materialien nach der Adsorption von VOCs. Zu den gängigen gasempfindlichen Materialien zählen pH-Indikatoren, solvatochrome Farbstoffe und Metallporphyrine.
Farbgestützter visueller VOC-Sensor
Der visuelle Gassensor ist eine neuartige optische Sensortechnologie und ein wichtiger Trend in der Entwicklung der Sensortechnologie. Er stellt die charakteristischen Informationen von Gerüchen in Form von Bildern dar, was auch als visueller Geruchssinn bezeichnet wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen und fluoreszierenden Sensorsignalen ist der kolorimetrische Ausgangssignalmodus die einfachste Sensorplattform für die Entwicklung einer Technologie zur Erkennung mit bloßem Auge, da der Bedarf an Signalumwandlungsmodulen minimiert wird. Er ermöglicht eine praktische Erkennung vor Ort für nicht-technisches Personal oder Endnutzer. Zu den derzeit bekannten Sensormaterialien für die Visualisierung von VOC gehören Polydiacetylen-Papierchips, Methylengelb-6-Nanofasern, Fabry-Perot-Interferenz-mikroporöse Polymere und supramolekulare Gast-Wirt-Komplexe.
Das Detektionssystem verwendet einen CMOS-Bildsensor, um die Bildinformationen der spektralen Veränderungen des visuellen Sensors vor und nach der Reaktion mit dem gemessenen Gas zu erfassen. Durch Prozesse wie Bildvorverarbeitung, Merkmalsextraktion und Referenzabgleich erreicht es die Identifizierung der Gaskonzentration und -art. Porphyrin- und Metalloporphyrin-gassensitive Materialien haben die Entwicklung visueller VOC-Sensoren erheblich vorangetrieben.
VOC-Sensor basierend auf dem Prinzip der optischen Interferenz
Photonen-Kristalle (PCs) sind dielektrische Materialien mit periodischen Schwankungen des Brechungsindex im Raum, wobei ihre Periodizität in derselben Größenordnung liegt wie die Wellenlänge des Lichts. Das Hauptmerkmal von PCs ist das Vorhandensein einer photonischen Bandlücke (PBG) in ihrer Bandstruktur, die aus einem photonischen Leitungsband und einem photonischen Valenzband besteht, einer periodischen künstlichen Mikrostruktur mit PBG-Eigenschaften.
Wenn sich Elektronen in einem Halbleitermaterial in einem periodischen Potentialfeld eines Gitters ausbreiten, bilden sich aufgrund der Bragg-Streuung Bandstrukturen, und zwischen den Bändern entstehen Bandlücken. Wenn die Energie der Elektronenwelle in die Bandlücke fällt, wird die Ausbreitung verhindert.
Ähnlich wie bei der Modulation der Elektronenwellenfunktion in einem Halbleitergitter variiert der Brechungsindex von Licht in photonischen Kristallen periodisch, und die Bandlückenstruktur von Licht tritt auf, wenn sich elektromagnetische Wellen darin ausbreiten. Die Lichtwellen in der photonischen Bandlücke können sich nicht ausbreiten. Grundsätzlich kann die Bewegung von Photonen durch die Entwicklung und Herstellung von photonischen Kristallen und deren Bauelementen gesteuert werden, was wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung verschiedener optischer Bauelemente, die Glasfaserkommunikation und photonische Computer hat. Kurz gesagt haben photonische Kristalle die Funktion, bestimmte Lichtbänder selektiv durchzulassen und andere Wellenlängen des Lichts zu blockieren.
Fluoreszenz-VOC-Sensoren
VOC-Sensoren, die auf dem Prinzip der Fluoreszenzemission basieren, stellen einen bedeutenden Fortschritt in der analytischen Chemie dar. Diese Sensoren zeichnen sich durch Eigenschaften wie hohe Empfindlichkeit, gute Selektivität und starke Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen aus. Allerdings stehen diese Sensoren oft vor Herausforderungen wie schwieriger Markierung und schlechter Wiederholbarkeit. Die Struktur, Stereochemie und Fluoreszenzeffizienz von fluoreszierenden Molekülen kann durch externe Faktoren wie Feuchtigkeit, Polarität und pH-Wert beeinflusst werden, was sich wiederum auf die Form und Intensität ihrer Fluoreszenzspektren auswirken kann.
SPR-VOC-Sensoren
SPR (Oberflächenplasmonresonanz) ist ein physikalisches optisches Phänomen des evaneszenten Feldes. Es tritt auf, wenn Licht an der Grenzfläche zwischen Glas und einer Metallschicht total intern reflektiert wird und eine evaneszente Welle erzeugt, die durch die Erzeugung freier Elektronen Oberflächenplasmonwellen auf der Metalloberfläche induzieren kann.
Unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich Einfallswinkel oder Wellenlänge resonieren die Frequenz und die Wellenzahl der Oberflächenplasmonwelle und der evaneszenten Welle, und das einfallende Licht wird absorbiert, was zu einem Resonanzpeak im Reflexionsspektrum führt. Die Gasadsorption auf der Metallfilmoberfläche verändert deren Dicke oder Brechungsindex und damit auch den Resonanzpeak (Resonanzwinkel oder Resonanzwellenlänge). Die SPR-Technologie ist eine neue Methode zur Gasdetektion, die sich durch einen einfachen Aufbau, hohe Empfindlichkeit und einen großen Detektionsbereich auszeichnet.
Spitzenforschung zu VOC-Sensoren
Eine kürzlich in Science Advances veröffentlichte Studie berichtet über die Entwicklung eines hochempfindlichen Sensors für flüchtige organische Verbindungen (VOC), der auf Geruchsrezeptoren basiert, die in eine Lipid-Doppelschicht rekonstituiert und in einem speziell entwickelten Gasströmungssystem für die schnelle Erkennung im ppb-Bereich (parts per billion) eingesetzt werden. Die Studie zeigt das Potenzial für den Einsatz biologischer Geruchssensoren in Atemdiagnosesystemen und der Umweltüberwachung. Geruchsrezeptoren in lebenden Organismen können verschiedene VOCs mit einer Nachweisgrenze erkennen, die einem einzelnen Molekül entspricht, wodurch sie in Bezug auf Selektivität und Empfindlichkeit den derzeitigen VOC-Sensoren, die künstliche Materialien verwenden, weit überlegen sind. Die Studie überwindet die Herausforderungen der geringen Löslichkeit von VOCs durch die Entwicklung eines Gasströmungssystems, das VOCs effizient in wässrige Tröpfchen einführt und die Nachweiswahrscheinlichkeit einer Anordnung von Lipid-Doppelschichten erhöht. Als praktisches Beispiel demonstriert die Studie den Nachweis von 1-Octen-3-ol (Octenol) im ppb-Bereich (parts per billion), einem Biomarker in der menschlichen Atemluft, unter Verwendung eines VOC-Sensors, der aus in einer Lipid-Doppelschicht rekonstituierten Geruchsrezeptoren besteht. (Hier erfahren Sie mehr über die Details dieser VOC-Sensorforschung.
Der Artikel erklärt, dass VOC-Sensoren (flüchtige organische Verbindungen) funktionieren, indem sie Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit erkennen, wenn VOC-Moleküle an die Oberfläche des Sensors binden. Die Sensoren bestehen aus einer dünnen Schicht eines leitfähigen Polymers, das mit einer Schicht aus einem Material beschichtet ist, das bestimmte VOCs absorbiert. Wenn sich VOCs an die Absorberschicht binden, verändern sie die elektrische Leitfähigkeit der leitfähigen Polymerfolie, was gemessen und zur Erkennung des Vorhandenseins und der Konzentration der VOCs genutzt werden kann. Der Artikel beschreibt auch einige aktuelle Fortschritte in der VOC-Sensortechnologie, darunter den Einsatz von Algorithmen des maschinellen Lernens zur Verbesserung der Sensorgenauigkeit und die Entwicklung flexibler, tragbarer Sensoren.
Wie misst man VOCs?
Ermittlung der Quelle von VOCs mit einem VOC-Sensor
Es gibt einige Schritte, die Sie unternehmen können, um die Quelle von VOCs mit einem VOC-Sensor zu finden. Zunächst sollten Sie sich die Messwerte Ihres Raumluftqualitätsmessgeräts ansehen. Wenn die VOC-Werte hoch sind, sollten Sie die Problembereiche untersuchen. Sie können auch einen VOC-Sensor verwenden, um eine Luftprobe aus einem bestimmten Bereich des Gebäudes zu entnehmen. Diese Probe würden Sie dann zu Ihrem Sensor zurückbringen, um einen genaueren Messwert zu erhalten. Der Sensor würde dann anzeigen, ob in dem Bereich, in dem Sie die Probe entnommen haben, ein Problem vorliegt. Der Sensor würde auch die Art des Problems anzeigen, sofern der Analysator dieses erkennen kann.
Identifizierung problematischer Gase mithilfe der Right-to-Know-Regel
Die Right-to-Know-Regelung ist eine Vorschrift, nach der kommerzielle VOC-Sensoren bestimmte VOCs erkennen müssen. Dazu gehören Aceton, Benzol, Tetrachlorkohlenstoff, Formaldehyd, Schwefelwasserstoff und Trichlorethylen. Die Right-to-Know-Regelung gilt auch für andere IAQ-Sensoren. So müssen beispielsweise Kohlendioxidsensoren CO2-Werte über 19 ppm erkennen. Stickstoffdioxidsensoren müssen NO2-Werte über 0,5 ppm erkennen. Temperatur- und relative Feuchtigkeitssensoren müssen eine Temperatur über 35 Grad Fahrenheit oder eine relative Feuchtigkeit über 45 Prozent erkennen.
Leckageerkennung mit dem VOC-Sensor
Sie können einen VOC-Sensor verwenden, um Lecks im System zu erkennen. Sie müssen Ihren Sensor so einrichten, dass er nach einem bestimmten Gas sucht. Wenn ein Leck vorhanden ist, würde der Sensor anzeigen, dass dieses bestimmte Gas entweder höher oder niedriger ist, als es sein sollte. Sie müssen jedoch vorsichtig sein! Sie müssen sicherstellen, dass Sie keine falschen Messwerte aufgrund des Vorhandenseins des Gases in der Atmosphäre erhalten. Wenn Sie beispielsweise Erdgas überwachen, erhalten Sie auch einen Messwert für Kohlendioxid. Sie können dieses Problem umgehen, indem Sie mehrere Proben an verschiedenen Stellen im Gebäude entnehmen.
Fazit
Der VOC-Sensor ist ein wichtiges Instrument zur Überwachung der Raumluftqualität (IAQ), da er Schadstoffe identifiziert, die ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. VOC-Sensoren können Ihnen dabei helfen, die Quelle der Schadstoffe zu finden, problematische Gase zu identifizieren und Lecks im System zu erkennen. Wenn Sie ein Leck finden oder ein Problem erkennen, sollten Sie so schnell wie möglich Maßnahmen ergreifen, um die Situation zu beheben.
