Monitoreo preciso y continuo de contaminantes como los óxidos de nitrógeno (NOX) a alta humedad es un gran desafío para los sensores de gas económicos y estirables.
Estudio: Sensores de gas NOx basados en grafeno, inducidos por láser, estirables, resistentes a la humedad para monitoreo ambiental y análisis de aliento. Crédito de la foto: mina mágica/Shutterstock.com
Un artículo reciente publicado en Microsystems & Nanoengineering describe el diseño y la implementación de un novedoso sensor de gas NOx basado en grafeno inducido por láser (LIG) resistente a la humedad y portátil que ha demostrado ser exitoso en el monitoreo del medio ambiente y la clasificación de personas con problemas respiratorios.
Importancia de la detección de óxidos de nitrógeno (NOx).
Óxidos de nitrógeno (denominados colectivamente como NOX) producidos por los procesos de incineración y las refinerías de petróleo son los principales contaminantes del aire que causan bronquitis, asma y enfermedades que agravan el corazón.
El óxido nítrico (NO), un importante biomarcador de neumonía, es de gran importancia para la detección y el tratamiento no invasivos de enfermedades respiratorias como el cáncer de pulmón y la neumonitis asociada a ventilación mecánica. Esto se debe a que los niveles de óxido nítrico en el aliento exhalado de los pacientes asmáticos superan los cientos de partes por billón (ppb), pero esta cantidad es inferior a las decenas de ppb en personas sanas.
Por lo tanto, es de suma importancia desarrollar sensores de gas nuevos, económicos y confiables para la detección continua y precisa de óxidos de nitrógeno (NOX) en la respiración humana.
Sensores de gas portátiles basados en grafeno para la detección de NOx
Se han desarrollado varias tecnologías para detectar NO utilizando nanopartículas como óxidos metálicos, grafeno, nanotubos de carbono y polímeros conductores.X en el aliento humano.
A diferencia de las celdas electrolíticas, los semiconductores de efecto de campo y otros sensores de gas convencionales, el NO portátilX Los sensores de gas basados en grafeno exhiben bajo nivel de ruido y buena robustez mecánica.
Los dispositivos electrónicos portátiles pueden recopilar información eléctrica, bioquímica, térmica, física y biológica para una gestión integral de la salud. El creciente interés en la evaluación personalizada de la calidad del aire y las pruebas de aliento también ha aumentado la necesidad de sensores de gas portátiles basados en grafeno que detecten varios productos químicos nocivos como los óxidos de nitrógeno (NOX), precisa y continua.
Los sensores de gas basados en grafeno con superficies no modificadas muestran poca precisión debido a la falta de sitios activos. Para abordar este problema, se puede utilizar el grafeno inducido por láser 3D (LIG) recientemente descubierto, ya que ofrece una gran cantidad de sitios activos en la superficie para las interacciones gas-sólido.
Humedad relativa: una limitación importante en la medición precisa de gases
A medida que las partículas de agua pueblan los sitios funcionales de la superficie activa de los nanomateriales del sensor, la humedad relativa (HR) afecta significativamente los mecanismos de absorción y equilibrio del gas objetivo, lo que genera cambios de respuesta significativos en las muestras de aliento con una humedad relativa entre el 50 y el 95 por ciento.
La influencia de la humedad relativa en la detección de gases se puede minimizar mediante el uso de componentes de calefacción integrados revestidos, monocapas hidrofóbicas autoensambladas (SAM) o algoritmos de nariz electrónica. Sin embargo, estas tecnologías a menudo aumentan la complejidad y el costo de la producción de sensores de gas.
Por lo tanto, es crucial establecer un método simple para diseñar y fabricar sensores de gas NOx resistentes a la humedad con una gran tasa de respuesta, respuesta/recuperación rápida y un límite bajo de detección (LOD) para monitorear la contaminación del aire local y analizar muestras de aliento para diagnósticos de enfermedades.
Un novedoso sensor de gas NOx basado en LIG resistente a la humedad
En este estudio, los investigadores crearon un NO basado en LIG novedoso, flexible y resistente a la humedad.X Sensor de gas intercalando la región de detección de LIG entre una capa semipermeable de polidimetilsiloxano (PDMS) y una plataforma elastomérica flexible.
El sensor de gas flexible, extremadamente sensible y selectivo basado en LIG consta de un área de detección LIG recta y un electrodo serpentino en una plataforma de elastómero blando. La región de detección de LIG es mucho más estrecha (150 micras) en ancho que los electrodos para crear una resistencia mucho mayor y un calentamiento Joule concentrado en la zona de detección.
El método de fabricación rápido y económico también es escalable y promete una producción en masa rápida para aplicaciones comerciales en el futuro.
Avances clave en la investigación
A temperatura ambiente, el sensor de gas preparado de esta manera muestra una tasa de respuesta alta, una respuesta/recuperación rápida y un límite de detección ultra bajo (LOD) para varios óxidos de nitrógeno (NOX). Al ajustar los parámetros de procesamiento láser, como la intensidad del láser, la velocidad de fotogramas y la distancia de desenfoque, el método de escritura directa por láser puede producir zonas de captura LIG con diferentes morfologías.
Este exclusivo sensor de gas resistente al agua basado en LIG puede detectar la calidad del aire exterior en diferentes momentos del día al combinar una alta ductilidad del 30 por ciento y una resistencia a la humedad del 90 por ciento de humedad relativa. Además, puede evaluar muestras clínicas de aliento de manera oportuna para distinguir correctamente a los pacientes con enfermedades respiratorias de las personas sanas.
Referencia
yang, l et al. (2022). Resistente a la humedad, elástico NOX Sensores de gas basados en grafeno inducido por láser para monitorización ambiental y análisis de aliento. Microsistemas y Nanoingeniería. Disponible en: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00414-x
