Koolstof nanobuissensor meet efficiënt zuurstof in gasmengsels onder licht

Zuurstof is essentieel voor het leven en een reactieve speler in veel chemische processen. Dienovereenkomstig zijn methoden die zuurstof nauwkeurig meten relevant voor tal van industriële en medische toepassingen: ze analyseren uitlaatgassen uit verbrandingsprocessen, waardoor de zuurstofvrije verwerking van voedsel en geneesmiddelen het zuurstofgehalte van de lucht die we inademen of de zuurstofverzadiging in bloed mogelijk maken.

Zuurstofanalyse speelt ook een steeds belangrijkere rol bij de monitoring van het milieu.

“Dergelijke metingen vereisen echter meestal omvangrijke, krachtige en dure apparaten die nauwelijks geschikt zijn voor mobiele toepassingen of continu gebruik buiten”, zegt Máté Bezdek, hoogleraar functionele coördinatiechemie in ETH Zurich. Zijn groep maakt gebruik van moleculaire ontwerpmethoden om nieuwe sensoren te vinden voor milieugassen.

In het geval van zuurstof is de groep van Bezdek nu geslaagd. In een studie Gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschapde onderzoekers hebben een licht geactiveerde high-performance sensor gepresenteerd die zuurstof nauwkeurig kan detecteren in complexe gasmengsels en ook de relevante eigenschappen heeft voor gebruik in het veld.

Een compromisloze all-rounder

Lionel Wettstein, Ph.D. Student in de groep van Bezdek en eerste auteur van het onderzoek, legt uit: “Conventionele meetmethoden sluiten vaak een grote gevoeligheid in gevaar ten koste van andere criteria.”

Er zijn bijvoorbeeld sensoren die zeer gevoelig reageren op zuurstof, maar veel kracht consumeren en worden verstoord door omgevingsfactoren zoals vochtigheid. Anderen zijn tolerant voor interfererende gassen, maar zijn minder gevoelig en worden snel geconsumeerd.

“Stationaire apparaten, complexe monsters en hoge kosten beperken ook de mogelijke toepassingen”, zegt Wettstein.

De nieuwe sensor daarentegen is een praktische all-rounder: het is erg gevoelig, kan moleculen van zuurstof bij een miljoen gasdeeltjes detecteren en doet dit zelfs bij hogere concentraties. Het is ook selectief, dat wil zeggen, het verdraagt ​​vocht en andere interfererende gassen en heeft een lange levensduur. Ten slotte is het klein, maar toch goedkoop, gemakkelijk te gebruiken en verbruikt het zeer weinig kracht.

Dit maakt de geminiaturiseerde sensor interessant voor draagbare apparaten en mobiele realtime metingen in het veld-bijvoorbeeld het analyseren van auto-uitlaatdampen of de vroege detectie van verwend voedsel. De detector is ook geschikt voor de continue monitoring van meren, rivieren en bodems met behulp van gedistribueerde sensornetwerken.

“Het zuurstofgehalte in deze ecosystemen is een belangrijke indicator voor ecologische gezondheid”, zegt Wettstein.

Het detecteren van moleculen met nanobuisjes

Om de gewenste eigenschappen te bereiken, ontwierp de groep van Bezdek specifiek de sensor uit moleculaire componenten. Het behoort tot de klasse van chemiresistors: dit zijn kleine elektrische circuits met een actief sensorkateriaal dat direct interageert met het te analyseren molecuul, waardoor de elektrische weerstand wordt gewijzigd.

“Het grote voordeel is dat dit signaal heel gemakkelijk kan worden gemeten”, zegt Bezdek.

De onderzoekers kozen een samenstelling van titaniumdioxide en koolstofnanobuisjes als basis voor het sensormateriaal. Titaniumdioxide kan worden gebruikt als een chemische weerstand, maar heeft het nadeel dat het meestal alleen bij zeer hoge temperaturen werkt.

“Om deze reden hebben we koolstofnanobuisjes in het composietmateriaal opgenomen,” gaat Bezdek verder.

De nanobuisjes vormen het energiebesparende platform-ze zorgen ervoor dat de sensorreactie bij kamertemperatuur plaatsvindt en geen verwarming vereist. Ten slotte, om ervoor te zorgen dat het sensormateriaal zuurstof betrouwbaar kan onderscheiden van andere gassen, werd het team geïnspireerd door kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen, waarin speciale kleurstofmoleculen genaamd fotosensitizers lichte energie verzamelen en het omzetten in elektrische stroom.

De onderzoekers hebben dit functionele principe overgedragen aan hun sensor: in aanwezigheid van groen licht brengt de fotosensibilisator elektronen over naar het composietmateriaal gemaakt van titaniumdioxide en nanobuisjes. Dit activeert het materiaal, waardoor het specifiek gevoelig is voor zuurstof.

“In tegenstelling tot andere gassen belemmert zuurstof deze ladingsoverdracht in de geactiveerde sensor, die zijn weerstand verandert”, zegt Wettstein.

Van het lab tot veldtoepassing

De onderzoekers hebben al een patentaanvraag voor de sensor ingediend en zijn nu op zoek naar industriële partners om de technologie verder te ontwikkelen. Duurzame en betrouwbare sensoren die specifiek zuurstof meten in gasmengsels worden geschat op een jaarlijks marktvolume van ongeveer 1,4 miljard US dollar.

Het team werkt momenteel aan het uitbreiden van zijn sensorconcept boven zuurstof om andere milieugassen op te nemen die een belangrijke ecologische rol spelen.

“Ons sensormateriaal heeft een modulaire structuur en we willen onderzoeken hoe het veranderen van de chemische samenstelling ervan de detectie van andere doelmoleculen mogelijk kan maken”, zegt Bezdek.

Een van de huidige onderwerpen in zijn groep is de detectie van stikstofgebaseerde verontreinigende stoffen die leiden tot overbevestiging in landbouw en vervuilde grond en water.

“Om de ecologische voetafdruk van de landbouwsector te verminderen, hebben we sensoren nodig die nauwkeurige bemesting van velden mogelijk maken”, zegt Bezdek.