英研製出新型感應器 可探測出微量甲醛

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【大紀元2024年03月08日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)英國最近開發出一種由「冷凍煙霧」製成的感測器,可以快速偵測到極微量的甲醛,且靈敏度要高於多數室內空氣品質感測器。

甲醛是一種常見的揮發性有機化合物,是已知的致癌物之一。在合成木製(如中密度纖維板)的家具、壁紙、油漆、玩具以及一些合成織物等家居用品中都可測到甲醛。如果室內甲醛濃度過高,會導致人出現流淚、眼睛刺痛、喉嚨灼燒、疲勞以及呼吸困難等症狀,且高濃度的甲醛還會引發哮喘,甚至癌症。

據清潔空氣日(Clean Air Day)運動組織在2019年的一份報告中提到,英國五分之一的家庭甲醛濃度高,其中13%的住宅超過了世界衛生組織設定的建議量。因此研發一款更好的毒性檢測器,就變得至關重要。

英國劍橋大學石墨烯研究中心與英國華威大學(University of Warwick),共同開發一款由高度多孔材料「氣凝膠」製成的感測器,它透過精確設計的孔的形狀或形態,可在室溫下監測到濃度極低的甲醛和其它危險氣體。

這種氣凝膠製成的感測器不僅所需功率很小(130微瓦),還可以製成穿戴式的器具,用於醫療保健上。該項研究結果於今年2月發表在《科學》期刊上。

這種氣凝膠感測器,主要是由三維(3D)多孔石墨烯或還原氧化石墨烯(rGO)製成。氣凝膠除了碳原子之外,其它99%以上都是空氣,擁有極高的孔隙率和開放結構,能使氣體輕鬆穿過,再加上超輕和導熱率極低的特性,被用於航天材料。

氣凝膠又被稱為「冷凍煙霧」,因為它的外型酷似固體煙霧,且呈半透明或透明狀。

研究人員先是對由石墨烯(一種二維形式的碳)加熱製成糊劑,用3D列打印機打印一塊電路板上,然後再將打印成品進行冷凍乾燥和清洗,最終打印出的細絲垂直於底部電極,以獲得更好的電氣接觸和導電性。

之後,實驗人員將打印好的石墨烯氣凝膠,放進含有氯化銅(CuCl2)、或氯化鎳(NiCl2)或氯化鈷(CoCl2)金屬溶液的乙醇中,讓金屬附著在氣凝膠的表面。最後用己烷洗滌多餘的物品,使得氣凝膠表面附上一層金屬氧化物半導體量子點,讓感測器能快速吸收那些空氣中擴散極快的氣體。

研究人員表示,之所以選用這三種金屬,主要是這些金屬氧化物被廣泛用於氣體感應檢測上,且使用酒精這種弱張力的有機溶劑,是為了避免原本打印好的氣凝膠從電路板基板上剝離。

研究人員還表示,選用3D打印是為了打印出多種尺度的感應物件,方便對氣凝膠結構進行微調,同時還可獲得額外的維度和可區分的特徵,讓感測器在偵測不同氣體時,更具有可調性。

研究團隊經過多方面的測試和調整,最終做出了一款能在幾秒鐘內,在室溫下對甲醛和其它揮發性有機化合物進行「高靈敏度檢測」和「即時識別」的氣凝膠感測器。這款氣凝膠感測器可以檢測濃度低至8ppb的甲醛,該數值相當於英國工作場所可暴露安全水平的0.4%。

試驗過程中,他們發現,影響影響氣凝膠氣靈敏性能的有主要三個關鍵因素,即打印結構的表面孔隙率、細絲直徑和表面陣列排序。細絲越細,表面孔隙率越大,感應效果和對氣體的識別率越高。

研究人員表示,該技術可用於開發檢測其它有機化合物的感測器。

華威大學的合著者朱利安·加德納(Julian Gardner)教授對劍橋大學的新聞室說,「華威大學正在開發一種低成本的多感測器平台,該平台將整合這些新型氣凝膠材料,並與演算法相結合,檢測不同的揮發性有機化合物。」

劍橋大學邱吉爾學院的院士、石墨烯研究中心的陶菲克·哈桑(Tawfique Hasan)教授則表示:「甲醛等揮發性有機化合物即使在低濃度下,長時間接觸也會導致嚴重的健康問題,但目前的感測器不具備區分對健康有不同影響的揮發性有機化合物的靈敏度或選擇性。」

他接著說,「現有的揮發性有機化合物偵測器只能得到空氣中總濃度的一個數字,而我們開發的即時感測器,可以快速檢測極低濃度有機化合物,可以讓家庭和企業更準確地了解空氣品質,和任何潛在的健康風險。」

論文的第一作者陳卓(音譯,Zhuo Chen)表示,「傳統的氣體感測器使用時需要加熱,但我們設計氣體感測器透過使用高度多孔的材料作為感測元件,使它可在室溫下正常運行,無需再加熱,這使它的功耗要比其它的感測器少10到100倍左右。」

該研究得到了亨利萊斯研究所( Henry Royce Institute)以及英國研究與創新(UKRI)旗下的工程和物理科學研究委員會(EPSRC)的支持。◇

責任編輯:連書華

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