3D打印微流控氣體探測器助力車內(nèi)VOC監(jiān)測

在互聯(lián)移動時代，監(jiān)測車內(nèi)揮發(fā)性有機化合物（VOC）對于有效控制車內(nèi)空氣質(zhì)量狀況發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在這種背景下，開發(fā)新的監(jiān)測裝置勢在必行，不僅需要能夠檢測低濃度的VOC，還能識別那些對車內(nèi)乘員的健康和舒適度構(gòu)成重大風(fēng)險的化合物。微流控氣體探測器最近已成為一種經(jīng)濟高效的室內(nèi)環(huán)境VOC離散化解決方案。盡管微流控氣體探測器目前可能尚未達到其它分析方法的精度，但這些裝置提供了簡單而緊湊的設(shè)計，可在室溫下工作，并且無需載氣（carrier gas）即可運行；這為其在車輛中的應(yīng)用帶來了明顯的競爭優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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隊在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器對車內(nèi)VOC進行半選擇性檢測的可行性。特別是，這項研究旨在分析是否可以通過（i）優(yōu)化微通道壁上聚合物層的厚度，以及（ii）理解VOC和有機物之間的化學(xué)相容性的影響來提高這些裝置的選擇性。實驗結(jié)果表明，較厚的聚合物薄膜能夠增強和擴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購買了2 mm厚的PMMA片材。PDMS薄膜是通過將Sylgard 184有機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，后者購自Dow Inc.。雙面丙烯酸（ARcare 90445）和有機硅（ARsealTM 90889）粘合劑均購自 Adhesive Research，總厚度分別為82 μm（PSA #1）和142 μm（PSA #2），不包括保護襯墊。微通道的底部是兩塊使用CO?激光切割機（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

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

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

先前的研究報道指出，環(huán)境條件尤其是相對濕度，可能會對微通道的選擇性產(chǎn)生不利影響。因此，所有實驗均在氣室內(nèi)的合成空氣環(huán)境中進行，溫度（22℃±1℃）和相對濕度（40±5％）均受控。不同的微流控通道在4種常見VOC的存在下進行了測試，這些VOC在車廂中很常見：乙醇、甲醇、乙酸乙酯和甲苯。測試的分析物購自Sigma Aldrich，純度≥ 99.0%。

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

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，薄膜厚度還會影響微通道的選擇性。圖3匯總了參考和三個 不同厚度PDMS涂層的微通道對所研究的四種VOC的歸一化響應(yīng)。參考微通道的響應(yīng)明顯缺乏選擇性。

在這項研究中，5.0 μm涂層微通道被認為是最佳選擇，因為它們?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傳感器本身無法提供這種功能。

圖3 參考和三個不同厚度PDMS涂層的微通道對四種VOC的歸一化響應(yīng)

圖4 SGP40在不同條件下對甲苯和乙醇的受控混合物的響應(yīng)

最后，該團隊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器是一種對車內(nèi)VOC進行半選擇性檢測的理想工具。實驗結(jié)果表明，聚合物涂層微流控通道與通用傳感器單元結(jié)合后能夠識別VOC。在對每種化合物（乙醇、甲醇、乙酸乙酯和甲苯）進行單獨研究時，制造的微通道在傳感器的時間響應(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，這些差異明顯加劇。此外，微流控氣體探測器還能有效區(qū)分簡單氣體混合物（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?？傊@項研究證明了微流控氣體探測器在解決環(huán)境監(jiān)測和車輛安全中的復(fù)雜挑戰(zhàn)方面的潛力。未來的研究有望探索多個涂覆不同性質(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