VOC传感器用于室内外空气质量监测

近年来,随着社会经济的快速发展以及工业化、城市化水平的提高,环境空气中的有机物污染齐乐娱乐也越来越严重。这些有机污染物主要是VOCs,即挥发性有机化合物,按照化学结构可以分为烷烃类、卤代烃类、芳香烃类、烯烃类、有机酮类、胺类、醇类、醚类、酯类、醛类和石油烃化物等。
VOCs在室内外的环境空气中普遍存在,在室外主要来源于石油化工、交通运输、自然燃料燃烧等产生的工业废气、溶剂挥发、汽车尾气、光化学污染以及二次反应产物等;而室内则主要来源于建筑和家居装饰装修材料如乳胶漆、墙纸、粘结剂等,以及家用电器、自燃煤气和烹调等。这些VOCs污染物在室外太阳光和热的作用下会参与氧化氮反应,产生臭氧并破坏大气空气质量,是夏季烟雾污染物的主要成分。VOCs污染物本身具有一定的毒性,刺激性和特殊的气味,在室内空气中达到一定浓度时会对人类的身体健康产生巨大的影响,并被喻为人类的"隐形杀手"。VOCs污染物会对人的感官、呼吸道系统、皮肤以及神经系统等会造成一定的影响。
因此人们对周遭空气质量的好坏越来越关注,这种关注从室外宏观的大气质量延伸到了室内微观小环境中的空气质量。在评估室内空气质量时,有一个重要的指标VOC,即挥发性有机物(Volatile Organic Compounds)。美国环境署(EPA)对VOC的定义是:除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、碳酸盐以及碳酸铵外,任何参与大气中光化学反应的含碳化合物。百度百科对VOC的描述是:“在常温下可以蒸发的形式存在于空气中,它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性,会影响皮肤和黏膜,对人体产生急性损害……是一类重要的空气污染物。”
因此人们对于VOC的认识越充分,就会越“紧张”于它的存在。可以预见,未来室内空气质量评估中,对VOC监测的需求也会越来越多。这无疑会给VOC传感器带来更多的市场机会。
不过和其他物联网应用相类似,室内空气质监测市场需求,也呈现出碎片化、多样化的特点。如何根据市场环境的需求和变化进化出有生存竞争力的产品,是传感器厂商的必答题。今天工采网小编给大家介绍几款VOC传感器。

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PID光离子气体传感器(小量程) - PID-AH
光离子气体传感器PID-AH最低可以检测1ppb的VOC气体,可以检测2000多种不同的VOC气体,许多有害物质原料都含有VOC,PID由于其对VOC的高灵敏度,成为有害物质早期危险报警、泄漏监测等不可缺少的实用工具。非常适合环境空气质量监测系统和仪器。


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大量程光离子PID气体传感器 - PID-A1
PID气体传感器PID-A1是大量程的PID传感器,是VOC检测专用气体传感器,最高可以检测6000ppm的VOC气体,4系大小,非常适合化工、石油等工业领域的应用。

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空气质量传感器(甲醛传感器)- TGS2602
空气质量传感器TGS2602对低浓度气味的气体具有很高的灵敏度,这样还可以对办公室与家庭环境中的废弃物所产生的氨、硫化氢等气体进行检测。该传感器还对木材精加工与建材产品中的VOC挥发性气体如甲苯有很高的灵敏度。由于实现了小型化,加热器电流仅需56mA,外壳采用标准的TO-5金属封装。

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P型半导体VOC传感器 - VOC-MF1,VOC-PF1,VOC-AF1
VOC传感器VOC-MF1,VOC-PF1,VOC-AF1为宽带总挥发性有机物(Total VOC)探测器。当考虑到PID的成本齐乐娱乐时,可用本传感器来检测10~50ppb的VOC,具体取决于VOC种类,例如甲醛,甲苯等VOC气体。与常见的n型传感器不同,本金属氧化物传感器的动态范围大、响应可重复、受湿度影响小,并且遇大多数VOC电阻会上升。通过简单的电气线路可将电阻的改变转换成输出电压。尽管传感器可在恒温/恒压模式下运行,但传感器在400℃(感应温度)~525℃(重置温度)之间循环时响应最佳

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英国alphasense可挥发性有机物(ETO)传感器 - ETO-A1
ETO传感器 ETO-A1主要特性:测量范围:100ppm ;灵敏度:1600~3200nA/ppm ;响应时间:< 75s

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英国alphasense 环氧乙烷传感器(ETO传感器) - ETO-B1
环氧乙烷传感器 ETO传感器 ETO-B1主要特性:测量范围:100ppm ;灵敏度:2000~3200nA/ppm ;响应时间:< 200s
气体传感器是一种能感知环境中某种气体的种类和浓度的装置或者器件,并能够将其相关信息转换为电信号以便于对待测气体进行监测、分析及报警。伴随着人们对环境空气质量要求的提高,对于性能优良的便携式在线气体传感器检测仪的需求和要求也越来越高,一个完美的气体传感器应该具有以下几个特点:
(1)选择性好,能够在多种气体共存的环境中对被测气体有明显的响应特征;
(2)灵敏度高,具有宽的检测范围和低的检出限;
(3)信号响应和恢复速度快,且可逆性好;
(4)抗电磁等干扰能力强,重现性和稳定性好,具有较长的保存和使用寿命;
(5)结构简单,低耗价廉,使用和维修方便;
(6)小型便携,智能化和多功能化,便于在线现场分析。
常见VOC气体传感器根据其工作原理主要分为三大类:电化学气体传感器(如电阻、电流、阻抗、电位等)、光学类传感器(包括光谱吸收型、荧光法、可视化法等)以及质量型气体传感器(例如石英晶体微天平和表面声波气体传感器)等。按照气敏材料可以分为半导体金属氧化物材料、有机聚合物材料、无机-有机复合材料等。近年来,气体传感器的发展趋势是微型化、智能化和多功能化。深入了解掌握各类气体传感器的气敏机理,灵活研制运用新材料,新机制以及新技术,使传感器的性能达到最优化是气体传感器的发展方向。
1 电化学VOC传感器
电化学VOC传感器的检测原理为VOC气体与气敏材料的表面产生吸附或者反应(物理吸附或者化学吸附),从而引起其电学性质(如电阻、电流、阻抗、电位等)的变化。其中基于半导体金属氧化物的电导型VOC传感器应用最为广泛,在当前的气体传感领域中占有重要的地位。按照其对气体电学检测装置来分,可分为常见的双电极电导型检测系统和三电极场效应管检测系统。按照VOC电学气敏材料可以分为半导体金属氧化物、导电聚合物、纳米材料(典型的纳米材料如零维金纳米簇、一维碳纳米管或硅纳米线以及多维石墨烯等)以及多孔材料等。
(1)半导体金属氧化物电导型传感器
半导体金属氧化物气体传感器是利用半导体接触气体时电阻或者功函数发生变化这一特性来实现对气体的检测。半导体式传感器是研究最早和比较成熟的气体传感器。早在1936年时P.Braue[1]就发现Cu20吸附水蒸气后导电率发生变化。到目前半导体气体传感器由于其具有结构简单、快速灵敏、低廉稳定以及电路简单等优点已发展为一个大体系,其中以ZnO和Sn02的研究最为成熟。1967年,日本Figaro公司首先将Sn02半导体金属氧化物气体传感器进行商品化。但是半导体金属氧化物气体传感器的不足之处是工作温度较高,对气体的选择性较差,而且容易中毒。所以一些新型的金属有机复合物、重金属掺杂型半导体气体传感器得到开发与应用。Sn02是金红石结构,N型半导体,表面电阻控制型的气敏材料。空气中的氧分子吸附到其表面时,会从半导体的表面获得电子而形成氧的负离子吸附,使得半导体的电子密度降低,表面电阻增大。与VOC气体接触产生表面吸附或者反应,引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化,据此实现对VOC气体的测定。Zhang Tianshu等[2]研究发现,当向Sn02中掺入10%的cd后可以大大提高对乙醇气体的响应灵敏度和选择性,检测限达到ppm级,可用作呼吸气体中的酒精检测仪。这主要是因为CdO掺杂可以降低Sn02的晶粒大小,增加德拜长度,促进乙醇的脱氢反应,使得表面化学吸附的氧负离子密度降低,电导率增强。
(2)零维纳米材料电导型传感器
众所周知,纳米结构对化学环境非常敏感,可以用做超高灵敏度的气体传感材料。零维金纳米簇由于其自身特殊的物理化学性质而在传感领域引起广泛关注[3]。金纳米簇不仅具有零维纳米尺寸金属芯的量子点行为,还可以与配体间发生表面相互作用。Wohltjen和Snow首次将单层保护的金纳米簇用于VOC电学传感领域。内核金提供电子的导电通道,外层有机壳作为绝缘层,提供对VOC的选择性吸附界面。吸附VOC后使得单层金纳米簇发生膨胀,增大金核间的距离,从而引起电导率下降,电阻值增大。通常采用喷涂方法来将单层金纳米簇沉积到集成电极上。Chia-Jung Lu等[4]指出单层金纳米簇对VOC的电学响应特性,不仅与吸附VOC后引起金核间电子传导能力变化有关,同时与活化能有关。活化能关系到金纳米簇间的充电过程,并与VOC的介电常数密切相关。根据不同官能团化的金纳米簇与VOC间的相互作用力,设计选择有机硫醇的种类与结构,例如范德华力(烷基硫醇)、极化诱导力(富马酸二甲酯)、极性(甲氧基)以及氢键(苯并噻唑),并根据不同金纳米簇对VOC的选择性交叉响应特点构建VOC传感阵列。
(3)基于纳米多孔材料的电导型气体传感器
多孔材料由于其自身的结构特性使其往往具有良好的气体吸附能力。例如纳米多孔硅光子晶体由于自身巨大的比表面积和微纳尺寸效应,对VOC气体有很好的吸附能力,同时多孔硅具有良好的光学和电学特性,在VOC传感器领域表现出强大的优势。
(4)基于聚合物材料的电导型传感器
导电聚合物材料不仅具有金属和半导体的电学和光学特性,而且具有有机聚合物的柔韧机械性,以及电化学氧化还原特性因此常作为气敏材料应用于传感器领域。导电聚合物气敏材料主要有酞菁聚合物,聚吡咯,聚苯胺,卟啉及金属卟啉类络合物等共轭聚合物材料,与吸附气体分子之间可以产生得失电子关系并引起其掺杂水平和物理性质的变化,使得导电聚合物气敏材料的电阻或功函数对吸附气体产生响应。但是对于大部分VOC气体而言,与导电聚合物气敏材料间难以发生基于电子转移的化学反应,而是弱的物理相互作用力。David N.Lambeth等利用喷墨打印系统将多种具有不同取代侧链和末端基团的聚噻吩类聚合物沉积到微阵列电极上,制备成电导型VOC传感阵列。该导电聚合物对VOC的响应灵敏度和选择性取决于其化学结构。聚噻吩类聚合物与VOC气体分子间存在偶极作用和范德华力等多种相互作用力,吸附同一种VOC气体后所引起的聚合物的电荷密度和分布变化不同,导致其电导率的变化有增有减。利用主成分分析法对这种交叉响应结果进行分析,实现对VOC的识别区分。
2.光学voc传感嚣
基于光学信号的气体传感器具有抗电磁场干扰性强,快速灵敏,易于实现对有机气体的在线监测模式等优点。按照工作原理来分,光学传感器的种类有反射干涉法、紫外可见吸光光度法、基于颜色变化的可视化法、荧光法、表面等离子共振法以及光纤传感技术等。光学气敏材料有传统的卟啉及金属卟啉类、荧光染料分子、pH指示剂以及新型的仿生光子晶体等。
(1)基于光吸收原理的传感器
光谱吸收型气体传感器是依据气敏材料吸附气体后其吸收光谱的强度或位移变化来对V0C气体进行检测。展常见的气敏材料有pH指示剂、溶致变色染料以及金属卟啉类等。卟啉类化合物是生物体内的的一种具有大共轭环状结构的化合物,其基本骨架是由四个吡咯类亚基的a-碳原子通过次甲基桥(=CH-)互联而形成的大分子杂环化合物,即卟吩。卟吩的闭合环内含有18个π电子形成大环共轭结构,具有一定的芳香性,是天然存在的叶绿素和血红素等多种卟啉类四吡咯化合物的结构骨架。卟吩环上的氢原子均可以被其他基团取代生成各种卟吩衍生物,即卟啉。卟吩环中心处吡咯氮原子上的氢原子可以被不同金属离子取代,并与氮原子形成共价键。另外两个氮原子易于与金属离子配位生成稳定的晶体状金属卟啉络合物[5]。卟啉环上取代基的位置和方向可以较好的得到控制,可以使其与客体分子间的相互作用力达到最优化。同时,卟啉分子的表面较大,通过改变配位中心的金属可以调节其轴向配体周围空间大小和相互作用的方向,因此对客体分子的大小、形状、手性异构体等具有显著地识别效果。
(2)基于颜色变化的可视化传感器
可视化气体传感器是一种新型的光学传感技术,也是传感器技术发展的重要趋势之一。将气味的特征信息以图像的形式表征出来,也称为可视化嗅觉。相比于传统的电化学、荧光等传感信号,这种比色法信号输出模式对于发展裸眼检测技术是最简便的传感平台,最大限度地减少了对信号转换设备模块的需求。可以为非技术人员或终端用户提供现场实际检测。目前己报道的用于VOC可视化的传感材料有聚二乙炔纸芯片、甲基黄尼龙6纳米纤维㈣、法布里干涉型微孔隙聚合物以及超分子主客体络合物等。
可视化气体传感器是模拟哺乳动物嗅觉神经系统的仿生技术,早在1978年时Crabtree教授发现有机气味分子易与金属离子配位结合,并预测哺乳动物的嗅觉细胞膜中可能含有金属蛋白[6]。在哺乳动物的嗅觉神经系统中,当气味分子吸附到嗅觉神经细胞膜上时并与膜上的金属键合,引起细胞膜电位发生变化从而产生响应。这些响应信号通过神经系统传递到大脑嗅觉中枢对气体进行解释识别。2000年,美国伊利诺伊大学的Kenneth S.Suslick教授的课题组首次采用一种简单的金属卟啉光化学传感方法实现了对气味分子的嗅觉可视化检测技术,并证实了金属离子与有机气味分子间的配位键合作用力。采用一系列具有不同化学选择性的金属卟啉染料作为气敏单元,根据其与气味分子键合作用所引起的颜色变化来唯一地表征某一气味的特征信息,又被称为颜色指纹信息。对于同一种金属卟啉而言,不同的气体分子与之配位键合力的大小和取向不一样,接触金属卟啉后所引起的光谱吸收位置和颜色变化也各不相同。对于同一种气体而言,不同金属配位的卟啉分子具有不同的氧化还原电位,与气体分子键合所引起卟吩环共轭电子体系的变化不同,其光谱吸收位置和颜色的改变也各不相同。因而,金属卟啉可视化传感阵列的颜色指纹信息与气体分子间具有一一对应的关系,即唯一性,在此机理之上,可视化阵列可以实现对空气中有机气体分子的识别。检测系统利用CMOS图像传感器设备采集可视化传感器与被测气体反应前后的光谱变化的图像信息,在经过图像预处理、特征提取和对照匹配等过程,实现对气体浓度和种类的识别。卟啉以及金属卟啉气敏材料极大的促进了可视化VOC传感器的发展。
(3)基于光干涉原理的VOC传感器
光子晶体(简称CP)是一种折射率在空间呈周期性变化的电介质材料,其变化周期与光的波长为同一个数量级。光子晶体的主要特征是在它的能带谱中存在光子导带和光子禁带,也称为具有光子带隙(简称PBG)特性的周期性人工微结构。当半导体材料中的电子在晶格的周期性的势场中传播时,由于存在布拉格散射而形成能带结构,带与带之间会出现带隙。如果电子波的能量落在带隙中则传播被禁止。与半导体晶格中对电子波函数的调制相类似,光子晶体中光的折射率呈周期性变化,当电磁波在其中传播时也会出现光的带隙结构。能量处在光子带隙中的光波被禁止传播。原则上,人们可以通过对光子晶体及其器件的设计制造来实现对光子运动行为的控制,在各类光学器件、光导纤维通信以及光子计算机领域等的发展具有很重要的意义。其实,自然界中存在许多美丽神奇的光子晶体结构,如蝴蝶翅膀、澳洲蛋白石、孔雀的羽毛,金龟子的壳等具有可见光波长范围的光子晶体结构。其色彩缤纷的外观与色素无关,而是由于不同频率的光在不同的方向被反射、散射或透射而呈现出现象。简单而言,光子晶体具有滤波的功能,可以选择性的让某个波段的光通过而阻止其余波长的光。
(4)基于荧光发射原理的VOC传感器
荧光气体传感器是分析化学的重大发展,具有灵敏度高、选择性好、抗电磁干扰能力强等特点,但是往往存在标记难、重复性差等齐乐娱乐。荧光分子所处的外界环境如湿度、极性、pH等都会影响其结构、立体构象及荧光效率,从而影响其荧光光谱的形状和强度。例如,一般情况下,当荧光分子所处的溶剂极性增大,兀一兀术跃迁所需能差较小,跃迁几率增大,使激发波长和荧光波长均红移,强度增大。荧光传感器对气体的检测机理为,气敏薄膜接触气体后引起其荧光参数(荧光的发射波长、强度或者荧光寿命等)发生变化,从而实现对待测气体的检测。荧光气体传感器的选择性识别主要是依靠荧光指示剂与分析对象间的选择性相互作用。Jonathan M.Cooper等人[7]将溶致变色染料尼罗红固定在聚合物基底中制成对气体敏感的薄膜材料,通过对薄膜的荧光发射光谱的变化来对气体进行检测。并考察了聚合物基底的物理性质对有机气体(丁醇、正己烷、甲醇等)响应的影响,发现采用微结构玻璃作为基底所制备的荧光气敏薄膜,在响应灵敏度和响应恢复时间方面都优于SU-8基底。这种现象可以归于聚合物/染料分子络合物与气体分子间的相互作用,以及基底的物理结构等影响周围环境的极性,引起尼罗红染料的荧光发射光谱发生变化。
(5)基于表面等离子体共振原理的VOC传感器
表面等离子体共振(简称SPR),是一种消逝场的物理光学现象。它是由光在玻璃与金属薄膜的界面处发生全内反射时,穿透到金属膜内的消逝波,可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子波。在入射角或者波长为某一适当值的条件下,表面等离子波与消逝波的频率和波数发生共振,入射光被吸收,在反射光谱上出现共振峰。气体吸附到金属薄膜表面改变其厚度或折射率,从而其共振峰(共振角或者共振波长)发生变化。表面等离子体共振技术(SPR)是一种新型的气体检测手段,具有结构简单、灵敏度高、检测范围广等优点。Bryan C.Sih等[8]采用Kretschmann型棱镜耦合式SPR检测器,以电沉积的聚噻吩薄膜和金纳米粒子作为气敏薄膜实现了对不同有机气体的选择性检测。实验结果发现,聚噻吩气敏薄膜对醇类(甲醇或乙醇)和甲苯气体的响应可逆且稳定性好,而对正己烷和水则基本没有响应。金纳米粒子气敏薄膜则只对醇类气体有响应。这两种薄膜吸附有机蒸汽后其厚度以及介电常数都发生变化,从而引起共振角和强度的变化。
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