3D打印微流控氣體探測(cè)器助力車(chē)內(nèi)VOC監(jiān)測(cè)

在互聯(lián)移動(dòng)時(shí)代，監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）對(duì)于有效控制車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量狀況發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在這種背景下，開(kāi)發(fā)新的監(jiān)測(cè)裝置勢(shì)在必行，不僅需要能夠檢測(cè)低濃度的VOC，還能識(shí)別那些對(duì)車(chē)內(nèi)乘員的健康和舒適度構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)的化合物。微流控氣體探測(cè)器最近已成為一種經(jīng)濟(jì)高效的室內(nèi)環(huán)境VOC離散化解決方案。盡管微流控氣體探測(cè)器目前可能尚未達(dá)到其它分析方法的精度，但這些裝置提供了簡(jiǎn)單而緊湊的設(shè)計(jì)，可在室溫下工作，并且無(wú)需載氣（carrier gas）即可運(yùn)行；這為其在車(chē)輛中的應(yīng)用帶來(lái)了明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)（Polytechnic University of Catalonia）與SEAT S.A.的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Environmental Technology & Innovation期刊上發(fā)表了題為“Enhanced selectivity of a 3D-printed microfluidic gas detector towards different volatile organic compounds (VOCs) for the effective monitoring of indoor air quality in vehicles”的論文，旨在研究3D打印微流控氣體探測(cè)器對(duì)車(chē)內(nèi)VOC進(jìn)行半選擇性檢測(cè)的可行性。特別是，這項(xiàng)研究旨在分析是否可以通過(guò)（i）優(yōu)化微通道壁上聚合物層的厚度，以及（ii）理解VOC和有機(jī)物之間的化學(xué)相容性的影響來(lái)提高這些裝置的選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較厚的聚合物薄膜能夠增強(qiáng)和擴(kuò)大微通道的滯留能力。此外，漢森溶解度參數(shù)（Hansen solubility parameters）被提出作為一種合適的工具，用于分析和確定聚合物-分析物相容性以及分析物的其它固有特性如何影響微流控通道中污染物的分離。

聚合物涂層微通道是以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底制造的，涂層則選用聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是一種致密的聚合物薄膜，具有高氣體滲透性，這使其具有良好的分析物吸收和滯留特性。

為了制造微流控通道，研究人員從Ferplast購(gòu)買(mǎi)了2 mm厚的PMMA片材。PDMS薄膜是通過(guò)將Sylgard 184有機(jī)硅彈性體套件的基底與相應(yīng)的固化劑（10:1）混合而制備的，后者購(gòu)自Dow Inc.。雙面丙烯酸（ARcare 90445）和有機(jī)硅（ARsealTM 90889）粘合劑均購(gòu)自 Adhesive Research，總厚度分別為82 μm（PSA #1）和142 μm（PSA #2），不包括保護(hù)襯墊。微通道的底部是兩塊使用CO?激光切割機(jī)（BCN3D Ignis V2017）制造的矩形PMMA片材。

圖1 聚合物涂層微流控通道和PETG 3D打印傳感器外殼

為了進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，研究人員將參考微通道和聚合物涂層微通道引入兩個(gè)由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PETG）制成的3D打印傳感器外殼中。這些外殼中容納了用于VOC檢測(cè)和環(huán)境條件控制的評(píng)估套件。聚合物涂層微通道和PETG 3D打印傳感器外殼的示意圖和實(shí)物圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)50 L氣室組成，用于在受控內(nèi)部環(huán)境中評(píng)估不同微通道的響應(yīng)。氣室蓋由PMMA制成，包含四個(gè)小接口。傳感器單元（Sensirion AG的SGP40）通過(guò)USB連接到電腦（PC），用于數(shù)據(jù)收集和分析。

先前的研究報(bào)道指出，環(huán)境條件尤其是相對(duì)濕度，可能會(huì)對(duì)微通道的選擇性產(chǎn)生不利影響。因此，所有實(shí)驗(yàn)均在氣室內(nèi)的合成空氣環(huán)境中進(jìn)行，溫度（22℃±1℃）和相對(duì)濕度（40±5％）均受控。不同的微流控通道在4種常見(jiàn)VOC的存在下進(jìn)行了測(cè)試，這些VOC在車(chē)廂中很常見(jiàn)：乙醇、甲醇、乙酸乙酯和甲苯。測(cè)試的分析物購(gòu)自Sigma Aldrich，純度≥ 99.0%。

首先，研究人員評(píng)估了薄膜厚度對(duì)傳感器原始響應(yīng)的影響（圖2）。增加PDMS厚度被證明具有雙重效應(yīng)。對(duì)于相同的表面性質(zhì)，較厚的聚合物薄膜有助于實(shí)現(xiàn)（i）更長(zhǎng)的滯留時(shí)間，以及（ii）原始信號(hào)振幅的逐漸減小。

圖2 具有參考和不同厚度PDMS涂層的微通道的SGP40傳感器的響應(yīng)

除了更高的分析物滯留之外，薄膜厚度還會(huì)影響微通道的選擇性。圖3匯總了參考和三個(gè) 不同厚度PDMS涂層的微通道對(duì)所研究的四種VOC的歸一化響應(yīng)。參考微通道的響應(yīng)明顯缺乏選擇性。

在這項(xiàng)研究中，5.0 μm涂層微通道被認(rèn)為是最佳選擇，因?yàn)樗鼈優(yōu)樗紤]的四種VOC提供了最大的選擇性。圖4還收集了傳感器對(duì)甲苯和乙醇的受控混合物的響應(yīng)。將5 μm涂層的微通道結(jié)合到傳感器單元中可以清楚地區(qū)分兩種化合物；SPG40傳感器本身無(wú)法提供這種功能。

圖3 參考和三個(gè)不同厚度PDMS涂層的微通道對(duì)四種VOC的歸一化響應(yīng)

圖4 SGP40在不同條件下對(duì)甲苯和乙醇的受控混合物的響應(yīng)

最后，該團(tuán)隊(duì)還研究了微通道的選擇性和聚合物-分析物相容性之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同厚度PDMS涂層的微通道的選擇性與聚合物-分析物相容性之間的關(guān)系

綜上所述，3D打印微流控氣體探測(cè)器是一種對(duì)車(chē)內(nèi)VOC進(jìn)行半選擇性檢測(cè)的理想工具。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物涂層微流控通道與通用傳感器單元結(jié)合后能夠識(shí)別VOC。在對(duì)每種化合物（乙醇、甲醇、乙酸乙酯和甲苯）進(jìn)行單獨(dú)研究時(shí)，制造的微通道在傳感器的時(shí)間響應(yīng)方面表現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)較厚的PDMS薄膜涂覆到微通道壁上時(shí)，這些差異明顯加劇。此外，微流控氣體探測(cè)器還能有效區(qū)分簡(jiǎn)單氣體混合物（雙區(qū)域）中的極性和非極性化合物，這有助于更好地控制車(chē)內(nèi)的空氣質(zhì)量。

因此，本研究的成果凸顯了聚合物層的厚度和性質(zhì)在影響微通道分離能力方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。較厚的聚合物薄膜顯示出更強(qiáng)的吸收能力，導(dǎo)致了更高的分析物滯留和選擇性。另一方面，微通道的區(qū)分能力也在很大程度上取決于一些分析物的固有性質(zhì)及其與涂層聚合物的化學(xué)相容性。總之，這項(xiàng)研究證明了微流控氣體探測(cè)器在解決環(huán)境監(jiān)測(cè)和車(chē)輛安全中的復(fù)雜挑戰(zhàn)方面的潛力。未來(lái)的研究有望探索多個(gè)涂覆不同性質(zhì)和幾何配置的聚合物材料微流控通道的集成。這種探索可為一系列功能化微通道與先進(jìn)的系統(tǒng)智能相結(jié)合奠定基礎(chǔ)，相比單一微通道系統(tǒng)，其選擇性有望得到顯著提高。

審核編輯：劉清