El sensor de compuestos orgánicos volátiles mide la cantidad de COV en un espacio. Es una herramienta importante para supervisar la calidad del aire interior (IAQ), ya que identifica los contaminantes que suponen un riesgo para la salud humana. Por ejemplo, el sensor de COV le avisa cuando hay demasiado gas natural en el edificio. ¿Por qué? El gas natural está compuesto principalmente por metano, que es altamente combustible. Una concentración excesiva de gas natural puede provocar una chispa o causar una explosión si se combina con otros gases o vapores inflamables. El monitor de compuestos orgánicos volátiles es uno de los sensores más importantes de su arsenal de control de la IAQ, ya que muchos contaminantes del aire interior son compuestos orgánicos. Entre ellos se encuentran el formaldehído, el benceno y el tricloroetileno, sustancias químicas que también son peligrosas para nuestra salud. Un sensor de COV puede detectar si hay una fuga en el suministro de agua o si alguien ha vuelto a utilizar disolvente de pintura u otro disolvente en la sala de descanso. Siga leyendo para saber más sobre por qué este sensor es esencial para garantizar un ambiente interior saludable.
¿Qué son los COV y los sensores de COV?
Compuesto orgánico volátil
Los compuestos orgánicos volátiles (COV) son sustancias químicas que tienen una alta presión de vapor a temperatura ambiente y se liberan a la atmósfera. Estos compuestos se encuentran comúnmente en una variedad de productos de consumo, combustibles y procesos industriales. Algunos ejemplos de COV son el benceno, el tolueno, el etileno, el formaldehído y el xileno. Los COV pueden tener diversos efectos negativos sobre la salud humana y el medio ambiente, como irritación respiratoria, dolores de cabeza e irritación ocular y nasal. También pueden contribuir a la formación de ozono troposférico, uno de los principales componentes del smog. Además, algunos COV pueden acumularse en el medio ambiente y tener efectos potenciales a largo plazo sobre la salud.
Sensores de COV
Los sensores de COV son dispositivos que se utilizan para detectar y medir la concentración de COV en el aire. Estos sensores funcionan utilizando un elemento químico sensible o componentes electrónicos para detectar la presencia de COV. Cuando hay COV en el aire, reaccionan con los productos químicos presentes en el sensor y generan una carga eléctrica. A continuación, el sensor mide esta carga y se puede determinar la concentración de COV.
Aplicaciones del sensor de COV
• Control de emisiones de automóviles: los sensores de COV se utilizan en la industria automovilística para controlar y medir la cantidad de contaminantes peligrosos que se liberan a la atmósfera. Esto ayuda a garantizar que los automóviles cumplan con las normativas sobre emisiones.
• Control de la calidad del aire interior: los sensores de COV se pueden utilizar para controlar la calidad del aire interior en hospitales, escuelas y otros edificios públicos. Esto ayuda a garantizar que el aire dentro del edificio sea seguro y esté libre de contaminantes nocivos.
• Control de procesos industriales: los sensores de COV se utilizan para controlar procesos industriales como la fermentación y la destilación. Esto garantiza que el proceso se desarrolle de forma eficiente y segura.
• Control medioambiental: los sensores de COV se pueden utilizar para controlar el medio ambiente, por ejemplo, en muestras de agua y suelo, con el fin de detectar la presencia de contaminantes u otras sustancias nocivas. Esto ayuda a garantizar que el medio ambiente sea seguro y saludable.
¿Cómo funcionan los sensores de COV?
Los sensores de COV suelen utilizar uno de dos tipos diferentes de tecnología para medir la presencia de COV: detectores de fotoionización (PID) o sensores de semiconductores de óxido metálico (MOS).
Detectores de fotoionización (PID)
Los detectores de fotoionización miden la concentración de COV ionizando las moléculas de los COV con luz ultravioleta. Los iones creados a partir de la luz ultravioleta pasan a través de una cámara donde son detectados y medidos por un campo electrostático. Los iones medidos se convierten en una corriente eléctrica medible y luego se envían a un dispositivo de lectura para su posterior análisis.
Sensores MOS
Los sensores de semiconductores de óxido metálico (MOS) funcionan utilizando una película de óxido metálico sensible a los COV. Cuando un COV entra en contacto con la película de óxido metálico, provoca un cambio en las propiedades eléctricas de la película, que luego es medido por el sensor. La señal eléctrica del sensor se envía a un dispositivo de lectura para su posterior análisis.
Tanto los sensores PID como los MOS se utilizan en diversas aplicaciones, como la monitorización de la calidad del aire interior, la monitorización de emisiones, el control de procesos y la monitorización medioambiental. Se pueden utilizar para detectar diversos COV, como formaldehído, tolueno, benceno, xileno y otros.
Tipos de sensores de COV
Existen tres tipos principales de sensores de gases COV comunes según su principio de funcionamiento:
- Sensores electroquímicos de COV: como los basados en resistencia, corriente, impedancia y potencial.
- Sensores ópticos de COV: incluyendo absorción espectral, fluorescencia y visualización.
- Sensores de COV de masa: como los microbalances de cristal de cuarzo y los sensores de gas de ondas acústicas de superficie.
Sensor electroquímico de COV
El principio de detección de un sensor electroquímico de COV implica la adsorción o reacción (física o química) de los gases COV en la superficie de un material sensible al gas, lo que da lugar a cambios en sus propiedades eléctricas, como la resistencia, la corriente, la impedancia y el potencial.
Entre ellos, el tipo de sensor de COV más utilizado basado en óxidos metálicos semiconductores es el tipo conductivo, que desempeña un papel importante en el campo actual de la detección de gases. Según sus dispositivos de detección eléctrica de gases, se pueden dividir en sistemas de detección conductivos comunes de dos electrodos y sistemas de detección de transistores de efecto de campo de tres electrodos. Según los materiales sensibles al gas COV, se pueden clasificar en óxidos metálicos semiconductores, polímeros conductores, nanomateriales (como nanoclústeres de oro de dimensión cero, nanotubos de carbono unidimensionales o nanocables de silicio y grafeno multidimensional) y materiales porosos.
Sensor de conductividad de óxido metálico semiconductor
Los sensores de gas de óxido metálico semiconductor detectan gases utilizando la propiedad de que la resistencia o la función de trabajo de un semiconductor cambia cuando entra en contacto con un gas. Los sensores semiconductores se encuentran entre los sensores de gas más antiguos y maduros.
Ya en 1936 se descubrió que la conductividad del Cu20 cambia cuando adsorbe vapor de agua. Hoy en día, los sensores de gas semiconductores se han convertido en un gran sistema debido a sus ventajas de estructura simple, respuesta rápida, bajo coste, estabilidad y circuitos sencillos, entre los que destaca la investigación sobre ZnO y SnO2 como la más madura.
Sin embargo, las desventajas de los sensores de gas de óxido metálico semiconductor son que funcionan a temperaturas relativamente altas, tienen una selectividad de gas deficiente y son propensos al envenenamiento. Por lo tanto, se han desarrollado y aplicado algunos tipos nuevos de sensores, como los compuestos metalorgánicos y los sensores de gas semiconductores dopados con metales pesados.
Sensor de conductividad de nanomateriales de dimensión cero
Como es bien sabido, las nanoestructuras son muy sensibles a los entornos químicos y pueden utilizarse como materiales sensores de gas con una sensibilidad ultraalta. Los nanoclústeres de oro de dimensión cero han atraído una gran atención en el campo de la detección debido a sus propiedades físicas y químicas únicas.
Los nanoclústeres de oro no solo exhiben un comportamiento de punto cuántico de núcleos metálicos de dimensión cero, sino que también muestran interacciones superficiales con ligandos. El núcleo interno de oro proporciona un canal conductor para los electrones, mientras que la capa orgánica externa actúa como una capa aislante, proporcionando una interfaz de adsorción selectiva para los compuestos orgánicos volátiles (COV). La adsorción de COV provoca la expansión de los nanoclústeres de oro monocapa, lo que aumenta la distancia entre los núcleos de oro y, por lo tanto, conduce a una disminución de la conductividad y a un aumento de la resistencia. Los nanoclústeres de oro monocapa se depositan normalmente sobre electrodos integrados mediante recubrimiento por pulverización.
Las características de respuesta eléctrica de los nanoclústeres de oro monocapa a los COV no solo están relacionadas con los cambios en la conductividad electrónica entre los núcleos de oro causados por la adsorción de COV, sino también con la energía de activación. La energía de activación está relacionada con el proceso de carga entre los nanoclústeres de oro y está estrechamente relacionada con la constante dieléctrica del COV. Basándose en las fuerzas de interacción entre diferentes nanoclústeres de oro funcionalizados y los COV, se diseñan y seleccionan tipos y estructuras de tioles orgánicos, como la fuerza de van der Waals (alquiltiol), la fuerza de inducción de polarización (ftalato de dimetilo), la polaridad (metoxi) y el enlace de hidrógeno (benzotiazol). Se construye una matriz de detección de COV basada en las características de respuesta selectiva cruzada de diferentes nanoclústeres de oro a los COV.
Sensores de gas de conductividad basados en materiales nanoporosos
En esta sección se analiza el uso de materiales nanoporosos, concretamente cristales fotónicos de silicio nanoporoso, como materiales para sensores de gas debido a su gran superficie y su capacidad de adsorción de gases. Las propiedades ópticas y eléctricas únicas del silicio nanoporoso lo convierten en un material prometedor para aplicaciones de detección de gases COV.
Sensores de conductividad basados en materiales poliméricos
Los materiales poliméricos conductores se utilizan habitualmente en sensores de gas debido a sus propiedades eléctricas y ópticas, su flexibilidad mecánica y sus características redox electroquímicas. Esta sección se centra en el uso de materiales poliméricos conjugados, como los polímeros de ftalocianina, el polipirrol, la polianilina y las porfirinas y complejos de metaloporfirina, como materiales para sensores de gas. Aunque la interacción entre la mayoría de los COV y los materiales poliméricos conductores es débil, el uso del análisis de componentes principales permite identificar y diferenciar los COV en función de su interacción física con el material.
Sensores ópticos de COV
Los sensores de gas basados en señales ópticas tienen las ventajas de una fuerte interferencia electromagnética, una respuesta rápida y una fácil implementación para la monitorización en línea de gases orgánicos.
Existen varios tipos de sensores ópticos según sus principios de funcionamiento, entre los que se incluyen el método de interferencia reflectante, la fotometría de absorción ultravioleta-visible, el método colorimétrico, el método de fluorescencia, el método de resonancia plasmónica superficial y la tecnología de detección por fibra óptica. Los materiales ópticos sensibles al gas incluyen las porfirinas y metaloporfirinas tradicionales, las moléculas de colorante fluorescente, los indicadores de pH y los nuevos tipos de cristales fotónicos biomiméticos.
Sensores basados en el principio de absorción óptica.
Los sensores de gas por absorción espectroscópica detectan los COV basándose en la intensidad o el cambio de desplazamiento del espectro de absorción de los materiales sensibles al gas tras adsorber los COV. Entre los materiales sensibles al gas más comunes se encuentran los indicadores de pH, los colorantes solvatoquímicos y las metaloporfirinas.
Sensor visual de COV basado en el color
El sensor óptico de gases es una novedosa tecnología de detección óptica y una importante tendencia en el desarrollo de la tecnología de sensores. Representa la información característica de los olores en forma de imágenes, también conocida como olfato visual.
En comparación con las señales de detección electroquímicas y fluorescentes tradicionales, el modo de señal de salida colorimétrica es la plataforma de detección más sencilla para desarrollar tecnología de detección a simple vista, lo que minimiza la necesidad de módulos de equipos de conversión de señales. Puede proporcionar detección práctica in situ para personal no técnico o usuarios finales. Los materiales de detección actualmente conocidos para la visualización de COV incluyen chips de papel de polidiacetileno, nanofibras de amarillo de metileno 6, polímeros microporosos de interferencia Fabry-Perot y complejos supramoleculares huésped-invitado.
El sistema de detección utiliza un sensor de imagen CMOS para recopilar la información de imagen de los cambios espectrales del sensor visual antes y después de reaccionar con el gas medido. A través de procesos como el preprocesamiento de imágenes, la extracción de características y la comparación de referencias, se logra la identificación de la concentración y las especies de gas. Los materiales sensibles al gas porfirina y metaloporfirina han promovido en gran medida el desarrollo de sensores visuales de COV.
Sensor de COV basado en el principio de interferencia óptica
Los cristales fotónicos (PC) son materiales dieléctricos con variaciones periódicas en el índice de refracción en el espacio, y su periodicidad es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la luz. La característica principal de los PC es la presencia de una banda prohibida fotónica (PBG) en su estructura de bandas, que consiste en una banda de conducción fotónica y una banda de valencia fotónica, una microestructura artificial periódica con características PBG.
Cuando los electrones de un material semiconductor se propagan en un campo potencial periódico de una red, se forman estructuras de banda debido a la dispersión de Bragg, y aparecen bandas prohibidas entre las bandas. Si la energía de la onda de electrones cae en la banda prohibida, se impide la propagación.
De forma similar a la modulación de la función de onda de los electrones en una red semiconductora, el índice de refracción de la luz en los cristales fotónicos varía periódicamente, y la estructura de banda prohibida de la luz aparece cuando las ondas electromagnéticas se propagan en ella. Las ondas de luz en la banda prohibida fotónica no pueden propagarse. En principio, el control del movimiento de los fotones se puede lograr mediante el diseño y la fabricación de cristales fotónicos y sus dispositivos, lo que tiene importantes implicaciones para el desarrollo de diversos dispositivos ópticos, la comunicación por fibra óptica y los ordenadores fotónicos. En resumen, los cristales fotónicos tienen la función de filtrar, permitiendo selectivamente el paso de ciertas bandas de luz y bloqueando otras longitudes de onda de la luz.
Sensores de COV por fluorescencia
Los sensores de COV basados en el principio de emisión de fluorescencia suponen un avance significativo en la química analítica. Estos sensores poseen características tales como alta sensibilidad, buena selectividad y gran resistencia a las interferencias electromagnéticas. Sin embargo, a menudo se enfrentan a retos como la dificultad de etiquetado y la escasa repetibilidad. La estructura, la estereoquímica y la eficiencia de fluorescencia de las moléculas fluorescentes pueden verse afectadas por factores externos como la humedad, la polaridad y el pH, lo que a su vez puede influir en la forma y la intensidad de sus espectros de fluorescencia.
Sensores SPR VOC
La SPR (resonancia plasmónica superficial) es un fenómeno óptico físico del campo evanescente. Se produce cuando la luz sufre una reflexión interna total en la interfaz entre el vidrio y una película metálica, creando una onda evanescente que puede inducir ondas plasmónicas superficiales en la superficie metálica mediante la generación de electrones libres.
En determinadas condiciones de ángulo de incidencia o longitud de onda, la frecuencia y el número de onda de la onda plasmónica superficial y la onda evanescente resuenan, y la luz incidente es absorbida, lo que da lugar a un pico de resonancia en el espectro de reflexión. La adsorción de gas en la superficie de la película metálica cambia su espesor o índice de refracción, alterando así su pico de resonancia (ángulo de resonancia o longitud de onda de resonancia). La tecnología SPR es un nuevo método de detección de gases que presenta las ventajas de una estructura sencilla, alta sensibilidad y un amplio rango de detección.
Investigación científica de vanguardia sobre sensores de COV
Un estudio reciente publicado en Science Advances informa sobre el desarrollo de un sensor de compuestos orgánicos volátiles (COV) altamente sensible basado en receptores olfativos reconstituidos en una bicapa lipídica y utilizados en un sistema de flujo de gas diseñado específicamente para la detección rápida a niveles de partes por mil millones (ppb). El estudio demuestra el potencial del uso de la detección biológica de olores en sistemas de diagnóstico del aliento y en la monitorización medioambiental. Los receptores olfativos de los organismos vivos pueden reconocer diversos COV con un nivel de detección correspondiente a una sola molécula, lo que los hace muy superiores en selectividad y sensibilidad en comparación con los sensores de COV actuales que utilizan materiales artificiales. El estudio supera los retos de la baja solubilidad de los COV mediante el desarrollo de un sistema de flujo de gas que introduce eficazmente los COV en gotas acuosas y mejora la probabilidad de detección de una matriz de bicapa lipídica. Como ejemplo práctico, el estudio demuestra la detección de 1-octen-3-ol (octenol) a un nivel de partes por mil millones (ppb), que es un biomarcador en el aliento humano, mediante el uso de un sensor de COV que consiste en receptores olfativos reconstituidos en una bicapa lipídica. (Aquí puede obtener más información sobre los detalles de esta investigación sobre sensores de COV).
El artículo explica que los sensores de COV (compuestos orgánicos volátiles) funcionan detectando cambios en la conductividad eléctrica cuando las moléculas de COV se unen a la superficie del sensor. Los sensores están compuestos por una fina película de un polímero conductor, recubierta con una capa de un material que absorbe COV específicos. Cuando los COV se unen a la capa absorbente, cambian la conductividad eléctrica de la película de polímero conductor, lo que se puede medir y utilizar para detectar la presencia y la concentración de COV. El artículo también describe algunos avances recientes en la tecnología de sensores de COV, incluido el uso de algoritmos de aprendizaje automático para mejorar la precisión de los sensores y el desarrollo de sensores flexibles y portátiles.
¿Cómo medir los COV?
Detección del origen de los COV con un sensor de COV
Hay algunos pasos que puede seguir para encontrar la fuente de los COV con un sensor de COV. En primer lugar, debe consultar las lecturas del monitor de calidad del aire interior. Si los niveles de COV son altos, debe investigar las áreas problemáticas. También puede utilizar un sensor de COV para obtener una muestra del aire en una zona concreta del edificio. A continuación, debe llevar la muestra a su sensor para obtener una lectura más precisa. El sensor indicará si hay algún problema en la zona donde se tomó la muestra. El sensor también indicará el tipo de problema si el analizador puede detectarlo.
Identificación de gases problemáticos mediante la norma del derecho a saber
La norma sobre el derecho a la información es una normativa que exige que los sensores comerciales de COV detecten un determinado conjunto de COV. Entre ellos se incluyen la acetona, el benceno, el tetracloruro de carbono, el formaldehído, el sulfuro de hidrógeno y el tricloroetileno. La norma «Right-to-Know» también se aplica a otros sensores de calidad del aire interior. Por ejemplo, los sensores de dióxido de carbono deben detectar niveles de CO2 superiores a 19 ppm. Los sensores de dióxido de nitrógeno deben detectar niveles de NO2 superiores a 0,5 ppm. Los sensores de temperatura y humedad relativa deben detectar una temperatura superior a 35 grados Fahrenheit o una humedad relativa superior al 45 %.
Detección de fugas mediante el sensor de COV
Puede utilizar un sensor de COV para detectar fugas en el sistema. Deberá configurar el sensor para que detecte un gas específico. Si hay una fuga, el sensor indicará que el nivel de ese gas en particular es superior o inferior al que debería ser. ¡Pero hay que tener cuidado! Debe asegurarse de que no obtiene lecturas falsas debido a la presencia de gas en la atmósfera. Si está monitorizando el gas natural, por ejemplo, también obtendrá una lectura del dióxido de carbono. Puede solucionar este problema tomando varias muestras de diferentes lugares del edificio.
Conclusión
El sensor de COV es una herramienta importante para supervisar la calidad del aire interior (IAQ), ya que identifica los contaminantes que suponen un riesgo para la salud humana. Los sensores de COV pueden ayudarle a encontrar el origen de los contaminantes, identificar gases problemáticos y detectar fugas en el sistema. Si encuentra una fuga o detecta un problema, debe tomar medidas para corregir la situación lo antes posible.
