گسترش سریع ترکیبات آلی فرار در محیط های صنعتی، داخلی و بالینی نیاز فوری برای سیستم های تشخیص ایجاد کرده است که هر دو حساس و انتخابی هستند، در حالی که فن آوری های سنجش معمولی مانند نیمه هادی های فلزی و آشکارسازهای عکس برداری، عملکرد منطقی را ارائه می دهند، آنها اغلب از نظر مصرف برق، مینیاتوراسیون و ثبات طولانی مدت کربن (NTC) را قادر می سازد تا از محدودیت های مکانیکی آن ها جلوگیری کنند.

علم پشت نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی همه گیر کربن با یک ساختار استوانه ای تشکیل شده با پرتاب یک ورق گرافن به یک لوله بدون درز بسته به تعداد لایه ها، آنها به عنوان یک زاویه فلزی منفرد (SWCNTs)، دو جداره، یا چند دیوار (MWCNTs) طبقه بندی شده اند.

سنتز CNT های با کیفیت بالا از طریق چندین روش تثبیت شده به دست می آید. رسوب بخار شیمیایی (CVD) به طور گسترده ای پذیرفته شده است، ارائه کنترل قطر، طول و تراز، تخلیه و لیزر تولید CNT با نقص کمتر اما کمتر مقیاس پذیر است پیشرفت های اخیر در مک آفلاتیک CVD و راکتورهای مایع بهبود یافته است و بازده مبتنی بر هزینه، به سنسورهای تجاری نزدیک تر، به صرفه است.

مکانیسم تشخیص VOC با CNTs

سنجش VOC با CNTs عمدتا بر تغییرات در مقاومت الکتریکی یا خازن در مورد قرار گرفتن در معرض مولکول های هدف متکی است، هنگامی که یک آگهی مولکول VOC بر سطح CNT، چگالی شارژ را از طریق کمک های الکترون یا خروج اصلاح می کند، این اثر به ویژه در نیمهینگ SWCNTs، که در آن ساختار باند به شدت حساس به تعاملات سطح خاص است، و به حداکثر رساندن میزان بهره برداری بالا در دسترس، به حداکثر رساندن میزان بهره برداری از طریق سایت های تشخیص سطح بالا، تلفظ می شود.

برای بهبود انتخاب، CNT ها اغلب با پلیمر ها، اکسید فلزی یا گیاهی ارگانیک که ویژگی های شیمیایی را ارائه می دهند، کار می کنند.به عنوان مثال، پوشش CNT ها با پلی اتیلنimine حساسیت به VOC های اسیدی مانند اسید اسکورپی را افزایش می دهد، در حالی که عملکرد با متالوپرین اجازه می دهد تبعیض بین آروماتیک و ترکیبات یادگیری مبتنی بر آرایه، اغلب می تواند با استفاده از سنسورهای متعدد تجزیه و تحلیل شود.

مزایای کلیدی در مورد سنسورهای متعارف

  • حساسیت: CNTs می تواند VOCs را به زیرppm یا حتی سطح ppb به دلیل نسبت سطح عظیم آن به حجم زیاد آن تشخیص دهد.
  • پاسخ سریع و بازیابی: حمل و نقل بالستیک حامل های شارژ در امتداد محور CNT اجازه می دهد تا تغییرات سیگنال نزدیک به فرد در معرض گاز، پاسخ معمول و زمان بهبودی کمتر از 10 ثانیه، در مقایسه با دقیقه برای بسیاری از سنسورهای فلزی که نیاز به گرمایش دارند.
  • مصرف برق کم: بسیاری از سنسورهای CNT در دمای اتاق کار می کنند، از بین بردن نیاز به عناصر گرمایش برق، این یک تغییر بازی برای دستگاه های قابل حمل و باتری است.
  • انعطاف پذیری مکانیکی و مینیاتوریزاسیون: فیلم های نازک CNTs می توانند بر بستر های انعطاف پذیر مانند PET یا Polyimide، قادر به وصل کردن پچ سنسور سازگار برای مانیتورهای بهداشتی پوشیدنی.
  • ] {{FLT: 1 ] CNTs در برابر اکسیداسیون و تخریب در محیط های سخت مقاوم هستند و منجر به عمر طولانی سنسور و کاهش نگهداری می شوند.

پیشرفت های اخیر و برنامه های کاربردی

نظارت بر محیط زیست

محققان آرایه های سنسور مبتنی بر CNT را برای تشخیص زمان واقعی VOC های خطرناک در تنظیمات صنعتی، مانند بنزن، toluene، ethylbenzene و xylene (BTEX) توسعه داده اند، مطالعه ای در Sensors و Actuators B Chemical: یک سنسور شبکه CNT را نشان داد که می تواند با استفاده از این ترکیبات شیمیایی ثابت شده و همچنین تجزیه و تحلیل های شیمیایی 97٪، به خوبی از این ترکیبات شیمیایی ثابت شده است.

امنیت صنعتی

در صنایعی که VOC های اشتعال زا یا سمی وجود دارند، سیستم های هشدار اولیه بسیار حیاتی هستند. سنسورهای CNT برای تشخیص متان، هیدروژن و بخار های اتانول در محیط های انفجاری آزمایش شده اند. مصرف کم انرژی آنها اجازه می دهد تا عملیات مداوم با استفاده از برداشت انرژی از ارتعاشات محیطی یا توسعه نور قابل توجه استفاده از نخ های CNT بافته شده به پارچه برای ایمنی پوشیدنی که کارگران می توانند به سطوح خطرناک هشدار دهند.

بهداشت و درمان و تجزیه و تحلیل تنفس

هیجان انگیزترین کاربرد سنسور های VOC مبتنی بر CNT در تشخیص بیماری های غیر تهاجمی از طریق تجزیه و تحلیل نفس است. نفس Exhaled حاوی صدها VOC است که می تواند به عنوان سنسورهای زیستی برای شرایطی مانند سرطان ریه، آسم، دیابت و عفونت های خاص استفاده شود.به عنوان مثال، سطح بالایی از ایزوپروپتین و آگون با دیابت مرتبط هستند، در حالی که lid مانند یک آزمایش بالینی (FAC) نمی تواند گزارش شود.

آدرس چالش های فعلی

انتخاب در میان VOC های مشابه

یکی از بزرگترین موانع تمایز بین VOC با ساختارهای شیمیایی مشابه یا قطبیت است.به عنوان مثال، اتانول و متانول هر دو باعث کاهش مقاومت در سیستم عامل های اولیه CNTs. عملکردی و سنجش مبتنی بر آرایه تا حدودی این را حل می کند، اما تحقیقات فعلی از مدل های پیشرفته یادگیری ماشین استفاده می کند، مانند ماشین های پشتیبانی و شبکه های عصبی، منحنی انتقال پویا، جلوگیری از مسدود کردن نمونه های کنترل پویا، علاوه بر این، می تواند از کانال های تجزیه و انعطاف پذیر باشد.

سنسور Fouling و Recovery

VOCs می تواند به طور برگشت ناپذیری به سطوح CNT متصل شود، به تدریج کاهش حساسیت به نسل، روش های نسل مانند قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش، حرارتی یا ولتاژ پالس شده است بررسی شده است. Encapsating CNTs در غشای های قابل دسترس است که مولکول های بزرگتر را مسدود می کنند در حالی که اجازه انتشار VOC یک راه امیدوار کننده دیگر است.

تولید هزینه-Effective

تولید CNTs با کیفیت ثابت در مقیاس چالش برانگیز است. فرآیندهای CVD نیاز به کنترل دقیق بر دما، جریان گاز و خلوص کاتالیزور. تکنیک های رسوب مبتنی بر راه حل مانند چاپ جوهر و پوشش اسپری هزینه پایین تر اما در سنسورهای با عملکرد متغیر 1 میلیارد دلار به ثبت نام بر بستر انعطاف پذیر است صنعتی، اما هزینه های نیمه خرید بالا کاهش می یابد. [۷]

ادغام سنسور های CNT در سیستم ها

فراتر از عنصر سنسور، بسته بندی قوی، تجهیزات الکترونیکی سیگنال و پروتکل های کالیبراسیون مورد نیاز است. رطوبت و تغییرات دما می تواند بر هدایت CNT، الگوریتم های جبران خسارت بی ارزش تاثیر بگذارد. محققان در حال توسعه سیستم های سنسور CNT هستند که مدارهای خواندن را بر روی همان بستر ادغام می کنند، کاهش اثرات انگل.

مسیر های آینده و تجارت چشم انداز

نقشه راه برای سنسورهای VOC مبتنی بر CNT به سمت ادغام بیشتر با اینترنت اشیاء (IoT) و هوش مصنوعی است.یک شبکه سنسور مستقر در سراسر یک ساختمان هوشمند می تواند به طور مداوم گازهای گلخانه ای را نظارت کند و مدیران تاسیسات هشدار دهنده را به خطرات بالقوه برساند.در مراقبت های بهداشتی پوشیدنی CNT که تجزیه و تحلیل تنفس یا انتشار پوست می تواند نظارت مداوم سلامت، هشدار دادن به نشانه های اولیه اختلالات متابولیک.

مرز دیگر توسعه سنسورهای CNT خود قدرت است که انرژی را از اثرات ترموالکتریک یا پیزوالکتریک برداشت می کنند. CNT کامپوزیت با مواد ترموالکتریک می تواند گرمای زباله را به برق تبدیل کند، سنسورهای مستقل برای نظارت از راه دور محیط زیست را فعال کند.

تجاری سازی سرعت دارد. چندین استارتاپ دستگاه های نمونه اولیه برای ایمنی محل کار و کیفیت هوای داخلی را نشان داده اند. سنسورهای چند دیواری CNT در حال حاضر در برخی از مانیتورهای گاز تجاری استفاده می شوند و دستگاه های تک دیواره CNT وارد بازار برای تست الکل مبتنی بر نفس می شوند. زیرا هزینه های تولید و معیارهای عملکرد بهبود می یابد، انتظار می رود که سنسورهای CNT به تدریج جایگزین سنسورهای معمولی در برنامه های با عملکرد بالا شوند.

نتیجه گیری

نانولوله های کربنی خود را به عنوان یک ماده پلت فرم برای سنسورهای نسل بعدی VOC تثبیت کرده اند، حساسیت فوق العاده آنها، پاسخ سریع، عملیات دما اتاق و پتانسیل برای مینیاتوریزاسیون آدرس بسیاری از محدودیت های فن آوری های موجود است، در حالی که چالش های مربوط به انتخاب، خطا و هزینه باقی مانده، تحقیقات مداوم در عملکرد، یادگیری ماشین، و مقیاس پذیر تولید به طور پیوسته بر روی این روش های بهداشتی سالم تر، به عنوان امن ترین، به احتمال زیاد، و غیر قابل مشاهده، و غیر قابل مشاهده، به عنوان یک راه حل های زیست محیطی، و غیر عادی، و غیر فعال، و غیر قابل مشاهده، به عنوان امن، به عنوان امن، به عنوان امن تر، به عنوان یک روش های بهداشتی، به عنوان امن تر، و غیر عادی، به عنوان یک روش های آینده، به عنوان امن تر شدن، به عنوان امن تر شدن، به عنوان امن تر، به عنوان امن تر شدن، و مطمئن است.