Elektronische Nasen erschnüffeln flüchtige organische Verbindungen
Verbesserung des Flüssigkeitsstroms in nasenähnlichen Kammern kann die Erkennung schädlicher Chemikalien optimieren
flüchtige organische Verbindungen sind Chemikalien, die als Gase freigesetzt werden und gesundheitsschädliche Auswirkungen haben können. Sie sind unter anderem in Farben, Arzneimitteln und Kühlmitteln enthalten, können aber auch als Indikatoren für Sprengstoffe, Insektenbefall, Lebensmittelverderb und Krankheiten dienen.
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Die Rückverfolgung von VOCs ist wichtig für die öffentliche Sicherheit und alle mit "Geruch" verbundenen Fragen. Zu diesem Zweck stellten Liu et al. in der Zeitschrift Applied Physics Reviews von AIP Publishing ein auf Strömungsmechanik basierendes Kammerdesign für eine elektronische Nase (e-nose) vor, die VOCs bei niedrigen Konzentrationen konsistent nachweist. Die Strategie, bei der eine nebenschlussähnliche Vorrichtung zur Steuerung des Flüssigkeitsstroms eingesetzt wird, ist ein Fortschritt in der Entwicklung der E-Nose-Technologie.
Methoden zum Nachweis von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) stehen vor zahlreichen Herausforderungen in Bezug auf Selektivität, Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität. E-Nasen, die sich am Geruchssystem orientieren, können einige dieser Hürden überwinden, indem sie Anordnungen chemischer Sensoren mit Mustererkennungstechniken zur Geruchserkennung kombinieren.
Viele E-Nasen erzeugen jedoch unterschiedliche Signale für flüchtige organische Verbindungen (VOC) derselben Konzentration, wenn sich der Sensor in verschiedenen Teilen der "Nasen"-Kammer befindet.
"Um diesem Problem entgegenzuwirken, muss das Strömungsverhalten des Gasstroms gut kontrolliert werden", sagt Autor Weiwei Wu. "Dies gewährleistet ein gleichmäßiges Strömungsfeld und eine gleichmäßige Konzentration der VOCs in der Kammer und vermeidet die Erzeugung falscher Sensoreigenschaften."
Das anfängliche Design der e-nose zeichnete sich durch eine vertikale Kammer aus, die ähnlich wie ein Duschkopf aussieht. Dies fördert die vertikale Strömung, da sich das Gas durch die Löcher am Boden des Geräts zu den gleichmäßig verteilten Sensoren ausbreitet.
Mithilfe strömungsmechanischer Simulationen optimierte das Team das Volumen, die Symmetrie, die Lage der Löcher und die Position der Sensoren in der E-Nose-Kammer. Sie fügten eine shuntartige Vorrichtung hinzu, um den Flüssigkeitsfluss zu fördern und die Reaktionszeit zu verkürzen.
Auf der Grundlage ihrer Simulationsergebnisse stellten die Forscher eine Teflonkammer her und maßen die Sensorleistung ihrer E-Nose. Sie verglichen zwei Kammern, eine mit und eine ohne Shunt. Die Kammer mit dem Shunt war bei der Erkennung eines VOC-Beispiels durchweg etwa 1,3-mal besser.
In Zukunft wollen sich die Autoren darauf konzentrieren, die Kammer zu verkleinern und die Struktur weiter zu verbessern, um die Reaktions- und Erholungszeit zu verkürzen.
"Die E-Nose-Forschung ist ein sehr interdisziplinäres Gebiet", so Wu. "Chemiker, Physiker, Biologen, Elektronikingenieure und Datenwissenschaftler müssen zusammenarbeiten, um Fragen zu lösen, wie z. B. eine effektive Sensorik, die die grundlegenden Mechanismen der Absorption/Desorption berücksichtigt, Algorithmen, die eine präzise Erkennung von VOCs schneller und mit geringerem Energieverbrauch erreichen, und wie neue Technologien, wie z. B. Memristoren, einbezogen werden sollten."
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