近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及工業(yè)化、城市化水平的提高，環(huán)境空氣中的有機物污染問題也越來越嚴重。這些有機污染物主要是VOCs，即揮發(fā)性有機化合物，按照化學結(jié)構(gòu)可以分為烷烴類、鹵代烴類、芳香烴類、烯烴類、有機酮類、胺類、醇類、醚類、酯類、醛類和石油烴化物等。
VOCs在室內(nèi)外的環(huán)境空氣中普遍存在，在室外主要來源于石油化工、交通運輸、自然燃料燃燒等產(chǎn)生的工業(yè)廢氣、溶劑揮發(fā)、汽車尾氣、光化學污染以及二次反應產(chǎn)物等；而室內(nèi)則主要來源于建筑和家居裝飾裝修材料如乳膠漆、墻紙、粘結(jié)劑等，以及家用電器、自燃煤氣和烹調(diào)等。這些VOCs污染物在室外太陽光和熱的作用下會參與氧化氮反應，產(chǎn)生臭氧并破壞大氣空氣質(zhì)量，是夏季煙霧污染物的主要成分。VOCs污染物本身具有一定的毒性，刺激性和特殊的氣味，在室內(nèi)空氣中達到一定濃度時會對人類的身體健康產(chǎn)生巨大的影響，并被喻為人類的"隱形殺手"。VOCs污染物會對人的感官、呼吸道系統(tǒng)、皮膚以及神經(jīng)系統(tǒng)等會造成一定的影響。
因此人們對周遭空氣質(zhì)量的好壞越來越關(guān)注，這種關(guān)注從室外宏觀的大氣質(zhì)量延伸到了室內(nèi)微觀小環(huán)境中的空氣質(zhì)量。在評估室內(nèi)空氣質(zhì)量時，有一個重要的指標VOC，即揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds)。美國環(huán)境署(EPA)對VOC的定義是：除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、碳酸鹽以及碳酸銨外，任何參與大氣中光化學反應的含碳化合物。百度百科對VOC的描述是：“在常溫下可以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的氣味性，會影響皮膚和黏膜，對人體產(chǎn)生急性損害……是一類重要的空氣污染物?！?/p>
因此人們對于VOC的認識越充分，就會越“緊張”于它的存在?？梢灶A見，未來室內(nèi)空氣質(zhì)量評估中，對VOC監(jiān)測的需求也會越來越多。這無疑會給VOC傳感器帶來更多的市場機會。
不過和其他物聯(lián)網(wǎng)應用相類似，室內(nèi)空氣質(zhì)監(jiān)測市場需求，也呈現(xiàn)出碎片化、多樣化的特點。如何根據(jù)市場環(huán)境的需求和變化進化出有生存競爭力的產(chǎn)品，是傳感器廠商的必答題。今天工采網(wǎng)小編給大家介紹幾款VOC傳感器。
PID光離子氣體傳感器(小量程) - PID-AH
光離子氣體傳感器PID-AH可以檢測1ppb的VOC氣體，可以檢測2000多種不同的VOC氣體,許多有害物質(zhì)原料都含有VOC，PID由于其對VOC的高靈敏度，成為有害物質(zhì)早期危險報警、泄漏監(jiān)測等不可缺少的實用工具。非常適合環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和儀器。
大量程光離子PID氣體傳感器 - PID-A1
PID氣體傳感器PID-A1是大量程的PID傳感器，是VOC檢測專用氣體傳感器，可以檢測6000ppm的VOC氣體，4系大小，非常適合化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域的應用。
空氣質(zhì)量傳感器（甲醛傳感器）- TGS2602
空氣質(zhì)量傳感器TGS2602對低濃度氣味的氣體具有很高的靈敏度，這樣還可以對辦公室與家庭環(huán)境中的廢棄物所產(chǎn)生的氨、硫化氫等氣體進行檢測。該傳感器還對木材精加工與建材產(chǎn)品中的VOC揮發(fā)性氣體如甲苯有很高的靈敏度。由于實現(xiàn)了小型化，加熱器電流僅需56mA，外殼采用標準的TO-5金屬封裝。
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P型半導體VOC傳感器 - VOC-MF1,VOC-PF1,VOC-AF1
VOC傳感器VOC-MF1，VOC-PF1，VOC-AF1為寬帶總揮發(fā)性有機物（Total VOC）探測器。當考慮到PID的成本問題時，可用本傳感器來檢測10~50ppb的VOC，具體取決于VOC種類，例如甲醛，甲苯等VOC氣體。與常見的n型傳感器不同，本金屬氧化物傳感器的動態(tài)范圍大、響應可重復、受濕度影響小，并且遇大多數(shù)VOC電阻會上升。通過簡單的電氣線路可將電阻的改變轉(zhuǎn)換成輸出電壓。盡管傳感器可在恒溫/恒壓模式下運行，但傳感器在400℃（感應溫度）~525℃（重置溫度）之間循環(huán)時響應zui佳
英國alphasense可揮發(fā)性有機物(ETO)傳感器 - ETO-A1
ETO傳感器 ETO-A1主要特性:測量范圍：100ppm ;靈敏度：1600～3200nA/ppm ;響應時間：< 75s
英國alphasense 環(huán)氧乙烷傳感器(ETO傳感器) - ETO-B1
環(huán)氧乙烷傳感器 ETO傳感器 ETO-B1主要特性:測量范圍：100ppm ;靈敏度：2000～3200nA/ppm ;響應時間：< 200s
氣體傳感器是一種能感知環(huán)境中某種氣體的種類和濃度的裝置或者器件，并能夠?qū)⑵湎嚓P(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號以便于對待測氣體進行監(jiān)測、分析及報警。伴隨著人們對環(huán)境空氣質(zhì)量要求的提高，對于性能優(yōu)良的便攜式在線氣體傳感器檢測儀的需求和要求也越來越高，一個完美的氣體傳感器應該具有以下幾個特點：
(1)選擇性好，能夠在多種氣體共存的環(huán)境中對被測氣體有明顯的響應特征；
(2)靈敏度高，具有寬的檢測范圍和低的檢出限；
(3)信號響應和恢復速度快，且可逆性好；
(4)抗電磁等干擾能力強，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，具有較長的保存和使用壽命；
(5)結(jié)構(gòu)簡單，低耗價廉，使用和維修方便；
(6)小型便攜，智能化和多功能化，便于在線現(xiàn)場分析。
常見VOC氣體傳感器根據(jù)其工作原理主要分為三大類：電化學氣體傳感器(如電阻、電流、阻抗、電位等)、光學類傳感器(包括光譜吸收型、熒光法、可視化法等)以及質(zhì)量型氣體傳感器(例如石英晶體微天平和表面聲波氣體傳感器)等。按照氣敏材料可以分為半導體金屬氧化物材料、有機聚合物材料、無機-有機復合材料等。近年來，氣體傳感器的發(fā)展趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入了解掌握各類氣體傳感器的氣敏機理，靈活研制運用新材料，新機制以及新技術(shù)，使傳感器的性能達到優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。
1 電化學VOC傳感器
電化學VOC傳感器的檢測原理為VOC氣體與氣敏材料的表面產(chǎn)生吸附或者反應(物理吸附或者化學吸附)，從而引起其電學性質(zhì)(如電阻、電流、阻抗、電位等)的變化。其中基于半導體金屬氧化物的電導型VOC傳感器應用為廣泛，在當前的氣體傳感領(lǐng)域中占有重要的地位。按照其對氣體電學檢測裝置來分，可分為常見的雙電極電導型檢測系統(tǒng)和三電極場效應管檢測系統(tǒng)。按照VOC電學氣敏材料可以分為半導體金屬氧化物、導電聚合物、納米材料(典型的納米材料如零維金納米簇、一維碳納米管或硅納米線以及多維石墨烯等)以及多孔材料等。
(1)半導體金屬氧化物電導型傳感器
半導體金屬氧化物氣體傳感器是利用半導體接觸氣體時電阻或者功函數(shù)發(fā)生變化這一特性來實現(xiàn)對氣體的檢測。半導體式傳感器是研究早和比較成熟的氣體傳感器。早在1936年時P.Braue[1]就發(fā)現(xiàn)Cu20吸附水蒸氣后導電率發(fā)生變化。到目前半導體氣體傳感器由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、快速靈敏、低廉穩(wěn)定以及電路簡單等優(yōu)點已發(fā)展為一個大體系，其中以ZnO和Sn02的研究為成熟。1967年，日本Figaro公司首先將Sn02半導體金屬氧化物氣體傳感器進行商品化。但是半導體金屬氧化物氣體傳感器的不足之處是工作溫度較高，對氣體的選擇性較差，而且容易中毒。所以一些新型的金屬有機復合物、重金屬摻雜型半導體氣體傳感器得到開發(fā)與應用。Sn02是金紅石結(jié)構(gòu)，N型半導體，表面電阻控制型的氣敏材料。空氣中的氧分子吸附到其表面時，會從半導體的表面獲得電子而形成氧的負離子吸附，使得半導體的電子密度降低，表面電阻增大。與VOC氣體接觸產(chǎn)生表面吸附或者反應，引起以載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表面電位變化，據(jù)此實現(xiàn)對VOC氣體的測定。Zhang Tianshu等[2]研究發(fā)現(xiàn)，當向Sn02中摻入10％的cd后可以大大提高對乙醇氣體的響應靈敏度和選擇性，檢測限達到ppm級，可用作呼吸氣體中的酒精檢測儀。這主要是因為CdO摻雜可以降低Sn02的晶粒大小，增加德拜長度，促進乙醇的脫氫反應，使得表面化學吸附的氧負離子密度降低，電導率增強。
(2)零維納米材料電導型傳感器
眾所周知，納米結(jié)構(gòu)對化學環(huán)境非常敏感，可以用做超高靈敏度的氣體傳感材料。零維金納米簇由于其自身特殊的物理化學性質(zhì)而在傳感領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[3]。金納米簇不僅具有零維納米尺寸金屬芯的量子點行為，還可以與配體間發(fā)生表面相互作用。Wohltjen和Snow將單層保護的金納米簇用于VOC電學傳感領(lǐng)域。內(nèi)核金提供電子的導電通道，外層有機殼作為絕緣層，提供對VOC的選擇性吸附界面。吸附VOC后使得單層金納米簇發(fā)生膨脹，增大金核間的距離，從而引起電導率下降，電阻值增大。通常采用噴涂方法來將單層金納米簇沉積到集成電極上。Chia-Jung Lu等[4]指出單層金納米簇對VOC的電學響應特性，不僅與吸附VOC后引起金核間電子傳導能力變化有關(guān)，同時與活化能有關(guān)?；罨荜P(guān)系到金納米簇間的充電過程，并與VOC的介電常數(shù)密切相關(guān)。根據(jù)不同官能團化的金納米簇與VOC間的相互作用力，設(shè)計選擇有機硫醇的種類與結(jié)構(gòu)，例如范德華力(烷基硫醇)、極化誘導力(富馬酸二甲酯)、極性(甲氧基)以及氫鍵(苯并噻唑)，并根據(jù)不同金納米簇對VOC的選擇性交叉響應特點構(gòu)建VOC傳感陣列。
(3)基于納米多孔材料的電導型氣體傳感器
多孔材料由于其自身的結(jié)構(gòu)特性使其往往具有良好的氣體吸附能力。例如納米多孔硅光子晶體由于自身巨大的比表面積和微納尺寸效應，對VOC氣體有很好的吸附能力，同時多孔硅具有良好的光學和電學特性，在VOC傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。
(4)基于聚合物材料的電導型傳感器
導電聚合物材料不僅具有金屬和半導體的電學和光學特性，而且具有有機聚合物的柔韌機械性，以及電化學氧化還原特性因此常作為氣敏材料應用于傳感器領(lǐng)域。導電聚合物氣敏材料主要有酞菁聚合物，聚吡咯，聚苯胺，卟啉及金屬卟啉類絡合物等共軛聚合物材料，與吸附氣體分子之間可以產(chǎn)生得失電子關(guān)系并引起其摻雜水平和物理性質(zhì)的變化，使得導電聚合物氣敏材料的電阻或功函數(shù)對吸附氣體產(chǎn)生響應。但是對于大部分VOC氣體而言，與導電聚合物氣敏材料間難以發(fā)生基于電子轉(zhuǎn)移的化學反應，而是弱的物理相互作用力。David N．Lambeth等利用噴墨打印系統(tǒng)將多種具有不同取代側(cè)鏈和末端基團的聚噻吩類聚合物沉積到微陣列電極上，制備成電導型VOC傳感陣列。該導電聚合物對VOC的響應靈敏度和選擇性取決于其化學結(jié)構(gòu)。聚噻吩類聚合物與VOC氣體分子間存在偶極作用和范德華力等多種相互作用力，吸附同一種VOC氣體后所引起的聚合物的電荷密度和分布變化不同，導致其電導率的變化有增有減。利用主成分分析法對這種交叉響應結(jié)果進行分析，實現(xiàn)對VOC的識別區(qū)分。
2.光學voc傳感囂
基于光學信號的氣體傳感器具有抗電磁場干擾性強，快速靈敏，易于實現(xiàn)對有機氣體的在線監(jiān)測模式等優(yōu)點。按照工作原理來分，光學傳感器的種類有反射干涉法、紫外可見吸光光度法、基于顏色變化的可視化法、熒光法、表面等離子共振法以及光纖傳感技術(shù)等。光學氣敏材料有傳統(tǒng)的卟啉及金屬卟啉類、熒光染料分子、pH指示劑以及新型的仿生光子晶體等。
(1)基于光吸收原理的傳感器
光譜吸收型氣體傳感器是依據(jù)氣敏材料吸附氣體后其吸收光譜的強度或位移變化來對V0C氣體進行檢測。展常見的氣敏材料有pH指示劑、溶致變色染料以及金屬卟啉類等。卟啉類化合物是生物體內(nèi)的的一種具有大共軛環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物，其基本骨架是由四個吡咯類亞基的a-碳原子通過次甲基橋(=CH-)互聯(lián)而形成的大分子雜環(huán)化合物，即卟吩。卟吩的閉合環(huán)內(nèi)含有18個π電子形成大環(huán)共軛結(jié)構(gòu)，具有一定的芳香性，是天然存在的葉綠素和血紅素等多種卟啉類四吡咯化合物的結(jié)構(gòu)骨架。卟吩環(huán)上的氫原子均可以被其他基團取代生成各種卟吩衍生物，即卟啉。卟吩環(huán)中心處吡咯氮原子上的氫原子可以被不同金屬離子取代，并與氮原子形成共價鍵。另外兩個氮原子易于與金屬離子配位生成穩(wěn)定的晶體狀金屬卟啉絡合物[5]。卟啉環(huán)上取代基的位置和方向可以較好的得到控制，可以使其與客體分子間的相互作用力達到優(yōu)化。同時，卟啉分子的表面較大，通過改變配位中心的金屬可以調(diào)節(jié)其軸向配體周圍空間大小和相互作用的方向，因此對客體分子的大小、形狀、手性異構(gòu)體等具有顯著地識別效果。
(2)基于顏色變化的可視化傳感器
可視化氣體傳感器是一種新型的光學傳感技術(shù)，也是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。將氣味的特征信息以圖像的形式表征出來，也稱為可視化嗅覺。相比于傳統(tǒng)的電化學、熒光等傳感信號，這種比色法信號輸出模式對于發(fā)展裸眼檢測技術(shù)是簡便的傳感平臺，大限度地減少了對信號轉(zhuǎn)換設(shè)備模塊的需求。可以為非技術(shù)人員或終端用戶提供現(xiàn)場實際檢測。目前己報道的用于VOC可視化的傳感材料有聚二乙炔紙芯片、甲基黃尼龍6納米纖維㈣、法布里干涉型微孔隙聚合物以及超分子主客體絡合物等。
可視化氣體傳感器是模擬哺乳動物嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)的仿生技術(shù)，早在1978年時Crabtree教授發(fā)現(xiàn)有機氣味分子易與金屬離子配位結(jié)合，并預測哺乳動物的嗅覺細胞膜中可能含有金屬蛋白[6]。在哺乳動物的嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)中，當氣味分子吸附到嗅覺神經(jīng)細胞膜上時并與膜上的金屬鍵合，引起細胞膜電位發(fā)生變化從而產(chǎn)生響應。這些響應信號通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦嗅覺中樞對氣體進行解釋識別。2000年，美國伊利諾伊大學的Kenneth S．Suslick教授的課題組采用一種簡單的金屬卟啉光化學傳感方法實現(xiàn)了對氣味分子的嗅覺可視化檢測技術(shù)，并證實了金屬離子與有機氣味分子間的配位鍵合作用力。采用一系列具有不同化學選擇性的金屬卟啉染料作為氣敏單元，根據(jù)其與氣味分子鍵合作用所引起的顏色變化來唯一地表征某一氣味的特征信息，又被稱為顏色指紋信息。對于同一種金屬卟啉而言，不同的氣體分子與之配位鍵合力的大小和取向不一樣，接觸金屬卟啉后所引起的光譜吸收位置和顏色變化也各不相同。對于同一種氣體而言，不同金屬配位的卟啉分子具有不同的氧化還原電位，與氣體分子鍵合所引起卟吩環(huán)共軛電子體系的變化不同，其光譜吸收位置和顏色的改變也各不相同。因而，金屬卟啉可視化傳感陣列的顏色指紋信息與氣體分子間具有一一對應的關(guān)系，即唯一性，在此機理之上，可視化陣列可以實現(xiàn)對空氣中有機氣體分子的識別。檢測系統(tǒng)利用CMOS圖像傳感器設(shè)備采集可視化傳感器與被測氣體反應前后的光譜變化的圖像信息，在經(jīng)過圖像預處理、特征提取和對照匹配等過程，實現(xiàn)對氣體濃度和種類的識別。卟啉以及金屬卟啉氣敏材料極大的促進了可視化VOC傳感器的發(fā)展。
(3)基于光干涉原理的VOC傳感器
光子晶體(簡稱CP)是一種折射率在空間呈周期性變化的電介質(zhì)材料，其變化周期與光的波長為同一個數(shù)量級。光子晶體的主要特征是在它的能帶譜中存在光子導帶和光子禁帶，也稱為具有光子帶隙(簡稱PBG)特性的周期性人工微結(jié)構(gòu)。當半導體材料中的電子在晶格的周期性的勢場中傳播時，由于存在布拉格散射而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間會出現(xiàn)帶隙。如果電子波的能量落在帶隙中則傳播被禁止。與半導體晶格中對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子晶體中光的折射率呈周期性變化，當電磁波在其中傳播時也會出現(xiàn)光的帶隙結(jié)構(gòu)。能量處在光子帶隙中的光波被禁止傳播。原則上，人們可以通過對光子晶體及其器件的設(shè)計制造來實現(xiàn)對光子運動行為的控制，在各類光學器件、光導纖維通信以及光子計算機領(lǐng)域等的發(fā)展具有很重要的意義。其實，自然界中存在許多美麗神奇的光子晶體結(jié)構(gòu)，如蝴蝶翅膀、澳洲蛋白石、孔雀的羽毛，金龜子的殼等具有可見光波長范圍的光子晶體結(jié)構(gòu)。其色彩繽紛的外觀與色素無關(guān)，而是由于不同頻率的光在不同的方向被反射、散射或透射而呈現(xiàn)出現(xiàn)象。簡單而言，光子晶體具有濾波的功能，可以選擇性的讓某個波段的光通過而阻止其余波長的光。
(4)基于熒光發(fā)射原理的VOC傳感器
熒光氣體傳感器是分析化學的重大發(fā)展，具有靈敏度高、選擇性好、抗電磁干擾能力強等特點，但是往往存在標記難、重復性差等問題。熒光分子所處的外界環(huán)境如濕度、極性、pH等都會影響其結(jié)構(gòu)、立體構(gòu)象及熒光效率，從而影響其熒光光譜的形狀和強度。例如，一般情況下，當熒光分子所處的溶劑極性增大，兀一兀術(shù)躍遷所需能差較小，躍遷幾率增大，使激發(fā)波長和熒光波長均紅移，強度增大。熒光傳感器對氣體的檢測機理為，氣敏薄膜接觸氣體后引起其熒光參數(shù)(熒光的發(fā)射波長、強度或者熒光壽命等)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對待測氣體的檢測。熒光氣體傳感器的選擇性識別主要是依靠熒光指示劑與分析對象間的選擇性相互作用。Jonathan M．Cooper等人[7]將溶致變色染料尼羅紅固定在聚合物基底中制成對氣體敏感的薄膜材料，通過對薄膜的熒光發(fā)射光譜的變化來對氣體進行檢測。并考察了聚合物基底的物理性質(zhì)對有機氣體(丁醇、正己烷、甲醇等)響應的影響，發(fā)現(xiàn)采用微結(jié)構(gòu)玻璃作為基底所制備的熒光氣敏薄膜，在響應靈敏度和響應恢復時間方面都優(yōu)于SU-8基底。這種現(xiàn)象可以歸于聚合物／染料分子絡合物與氣體分子間的相互作用，以及基底的物理結(jié)構(gòu)等影響周圍環(huán)境的極性，引起尼羅紅染料的熒光發(fā)射光譜發(fā)生變化。
(5)基于表面等離子體共振原理的VOC傳感器
表面等離子體共振(簡稱SPR)，是一種消逝場的物理光學現(xiàn)象。它是由光在玻璃與金屬薄膜的界面處發(fā)生全內(nèi)反射時，穿透到金屬膜內(nèi)的消逝波，可以引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子波。在入射角或者波長為某一適當值的條件下，表面等離子波與消逝波的頻率和波數(shù)發(fā)生共振，入射光被吸收，在反射光譜上出現(xiàn)共振峰。氣體吸附到金屬薄膜表面改變其厚度或折射率，從而其共振峰(共振角或者共振波長)發(fā)生變化。表面等離子體共振技術(shù)(SPR)是一種新型的氣體檢測手段，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、檢測范圍廣等優(yōu)點。Bryan C．Sih等[8]采用Kretschmann型棱鏡耦合式SPR檢測器，以電沉積的聚噻吩薄膜和金納米粒子作為氣敏薄膜實現(xiàn)了對不同有機氣體的選擇性檢測。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚噻吩氣敏薄膜對醇類(甲醇或乙醇)和甲苯氣體的響應可逆且穩(wěn)定性好，而對正己烷和水則基本沒有響應。金納米粒子氣敏薄膜則只對醇類氣體有響應。這兩種薄膜吸附有機蒸汽后其厚度以及介電常數(shù)都發(fā)生變化，從而引起共振角和強度的變化。
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