Istraživači predstavili bolje načine za otkrivanje etilena

Uvod 

Najjednostavniji alken, etilen, sastoji se od dva atoma ugljika s dvostrukom vezom i četiri atoma vodika. S koncentracijom od oko 2 dijela na milijardu (ppb), može lako difundirati u atmosferu.

Jedan od glavnih uzročnika brzog stvaranja ozona u gradskim sredinama je etilen, koji nastaje u atmosferi iz industrijskih emisija i ispušnih plinova vozila. Dakle, emisije etilena koje nisu pod kontrolom predstavljaju veliki rizik za ljudsko zdravlje jer podižu razinu ozona u troposferi ili na razini tla. Egzogeni etilen također se može metabolički pretvoriti u mutageni spoj etilen oksid koji uzrokuje rak u ljudskom tijelu.

Endogeni etilen može rezultirati sustavnim akumuliranjem u jetri i/ili bakterijskim stvaranjem otrovnog etilen oksida, što predstavlja potencijalnu opasnost za ljudsko zdravlje. Stoga je od životne važnosti za hortikulturnu, poljoprivrednu i zdravstvenu industriju dizajnirati i proizvesti vrlo selektivne, osjetljive i stabilne plinske senzore koji mogu u stvarnom vremenu provoditi detekciju etilena koncentracija ispod ppm ili ppb. Prema izvješćima, koncentracija promatranog plina u složenoj smjesi plinova može se detektirati korištenjem poboljšanih nanostrukturiranih senzorskih materijala. Iako malene veličine, nedostatak polarne kemijske funkcionalnosti i ograničena fizikalno-kemijska reaktivnost etilena otežavaju njegovu detekciju pri niskim koncentracijama, nedestruktivne metode i tehnike kemijske reakcije trenutno se opsežno i naširoko istražuju kako bi se postigao ovaj cilj.

O studiji

U ovoj studiji autori su dali temeljit pregled najnaprednijih tehnologija za detekciju etilena, u rasponu od plinsko-kromatografskih sustava s pretkoncentratorima do infracrvene tehnologije Fourierove transformacije (FTIR), fotoakustičkih i površinskih senzora akustičnih valova, Ramanove spektroskopije poboljšane fotonskim kristalnim vlaknima, optički kolorimetrijskih nizova senzora koji se mogu ispisivati ​​i širok izbor nanostrukturiranih kemirezistivnih plinskih senzora uključujući potenciometrijske i amperometrijske tipove tranzistora s efektom polja, senzore na bazi ugljikovih nanocijevi i metalnih oksida.

Tim je predložio potencijalni plan za napredak detekcije etilena u bliskoj budućnosti nakon sveobuhvatne rasprave o procesima nanofabrikacije, radnim okolnostima i učinkovitosti senzora različitih senzora/tehnologija.

Istraživači su ispitivali i raspravljali o nedavnim dostignućima u najsuvremenijim tehnologijama detekcije etilena niske koncentracije, njihovim metodama izrade, radnim postavkama, senzorskim mehanizmima, performansama i odgovarajućim granicama detekcije. Također je predložen potencijalni razvojni put visoko osjetljivih i selektivnih tehnologija detekcije etilena.

Zapažanja 

Zbog značaja etilena za praktički sve proizvodne lance, otkrivanje i praćenje njegove razine bilo je iznimno važno u sektoru poljoprivrede. Kako bi se stvorila vrlo osjetljiva, prijenosna, selektivna, pouzdana, isplativa tehnologija detekcije plina s malom potrošnjom energije za detekciju etilena, treba naglasiti i pažljivo razmotriti velike prednosti integriranja multidisciplinarnih tehnologija.

Uz nisku granicu detekcije od 2,3 ppb i područjem detekcije od nekoliko desetaka ppb, plinska kromatografija (GC), razvijena i široko korištena tehnologija, mogla bi omogućiti robusno i pouzdano mjerenje etilena. Međutim, njeni primarni nedostaci su bili glomaznost instrumenta, neizbježne interferencije zbog prisutnosti vlage, skupa proizvodnja te dugotrajni i komplicirani operativni postupci, koji su ozbiljno ograničavali njegovu primjenjivost na licu mjesta za praćenje etilena. Ciljevi za otkrivanje etilena na licu mjesta mogli bi se uvelike postići budućim nastojanjima da se opći GC za mjerenje višestrukih plinova transformira u poseban alat za ciljanje etilena razvojem i upotrebom visoko selektivnih, osjetljivih senzora plina neovisnih o vlažnosti.

Zbog mogućnosti da budući etilen-GC troši manje energije i postane prijenosniji, napori da se naprave plinski senzori koji bi mogli raditi na sobnoj temperaturi bili su posebno ključni. Također se snažno poticala kontinuirana optimizacija dizajna temeljenih na pretkoncentratoru s ciljem pojednostavljenja postupka uzorkovanja i skraćivanja vremena utrošenog na otkrivanje plinova. Iako su tehnike FTIR i Ramanove spektroskopije mogle brzo izmjeriti i detektirati brojne plinove, njihova loša spektralna rezolucija i nizak omjer signala i šuma (SNR) ograničili su njihovu sposobnost otkrivanja etilena u tragovima.

Budući da molekule vode često ometaju različite tehnologije i senzore za detekciju etilena, kao što su PAS/QCM uređaji, GC/FTIR/Raman sustavi i senzori za organski/anorganski kemirezistivni plin, bilo je ključno razviti i koristiti učinkovite filtere za vlagu kako bi se postigla točna detekcija etilena na licu mjesta. Visokoučinkovite tehnologije senzora etilena nastavit će se razvijati koristeći nanostrukturne kemirezistivne plinske senzore kao bazu. Manje nanostrukturne dimenzije mogle bi poboljšati osjetljivost na plin. Cu(I) kompleksi i nanočestice plemenitih i prijelaznih metala mogu istovremeno poboljšati osjetljivost i selektivnost za detekciju etilena. Učinkovitost detekcije plina može se znatno poboljšati povećanjem specifične površine i/ili stvaranjem visoko porozne mikrostrukture.

Zaključci

U zaključku, ova studija raspravlja o najnovijim najsuvremenijim, vrhunskim tehnologijama/senzorima za detekciju etilena. Autori su ispitali i ocijenili brojne važne karakteristike, uključujući radne uvjete, metodu izrade, dinamiku odziva i brzinu te granicu detekcije. Spomenuli su da treba uzeti u obzir budući rad na poboljšanju omjera signala i šuma i postizanju visoke spektralne rezolucije. Akustične i kvarcne kristalne mikrovage (QCM), koje su bile primjeri senzorskih tehnologija temeljenih na piezoelektričnom učinku, pokazale su izvrsne karakteristike detekcije etilena, uključujući visoku točnost, brza i podesiva vremena integracije za željenu minimalnu granicu detekcije (MDL).

Tim je izjavio da bi istraživanje pristupačnih zamjena za laserske izvore u akustičnim konfiguracijama moglo znatno pomoći u njihovoj komercijalizaciji. Nadalje, uključivanje poroznih materijala u QCM dizajne moglo bi povećati njihovu povezanu osjetljivost na etilen. Neki plinski senzori koji se temelje na metalnom oksidu mogli bi imati koristi od upotrebe stimulatora sekundarne energije, kao što su vidljiva, ultraljubičasta (UV), infracrvena svjetlost i mehanička energija.