13.06.2022 - American Chemical Society (ACS)

"E-Nase" erschnüffelt Gemische flüchtiger organischer Verbindungen

Genaue Unterscheidung von Xylolisomergemischen

Wenn Farbverdünner, Tinte und Klebstoffe trocknen, können sie flüchtige organische Verbindungen (VOC) freisetzen, die sich negativ auf die Gesundheit auswirken können. Eine dieser flüchtigen organischen Verbindungen ist in der Regel Xylol, das in drei Isomeren mit denselben Elementen, aber leicht unterschiedlichen Anordnungen vorliegt. Da sich die Isomere so ähnlich sind, lassen sie sich nur schwer getrennt überwachen. Jetzt haben Forscher, die in ACS Sensors berichten, eine elektrische Nase ("e-nose") mit porösen metallorganischen Gerüstfilmen (metal-organic framework, MOF) entwickelt, die Xylol-Isomermischungen genau unterscheiden kann.

Xylol ist schädlich, wenn große Mengen eingeatmet oder über die Haut aufgenommen werden. Jedes Isomer - o-Xylol, m-Xylol und p-Xylol - wirkt unterschiedlich auf den Menschen und andere Säugetiere, so dass es wichtig ist, die Umwelt auf jedes einzelne Isomer und nicht nur auf ihr kumulatives Vorhandensein zu überwachen. Bisher haben die Forscher die drei Formen von Xylol mit Hilfe von Gaschromatographie-Analysen ermittelt. Dieses Verfahren erfordert jedoch große und teure Geräte, und die Analysen sind zeitaufwendig. Lars Heinke und seine Kollegen wollten daher herausfinden, ob MOF-Filme in einfache, schnellere Sensoren eingebaut werden können, um das Vorhandensein der einzelnen Isomere in der Luft separat zu erkennen und zu messen.

Die Forscher bereiteten sechs verschiedene poröse MOF-Filme vor, von denen bekannt ist, dass sie Xylolisomere adsorbieren, und brachten sie auf gravimetrischen Sensoren in einer als "E-Nase" bezeichneten Anordnung an. In ersten Experimenten zeigte das Team, dass die MOF-Filme unterschiedlich empfindlich auf o-Xylol, m-Xylol und p-Xylol reagierten. Dann testeten sie die Fähigkeit der e-nose, Xylolisomere in Mischungen mit Konzentrationen von 10 ppm und 100 ppm zu unterscheiden, was dem Grenzwert des U.S. National Institute for Occupational Safety and Health entspricht. Durch die Analyse der Daten des Sensorarrays mit einem Algorithmus für maschinelles Lernen konnte das Team die Zusammensetzung der Gemische mit 86 % Genauigkeit für das 10-ppm-Gemisch und 96 % Genauigkeit für das 100-ppm-Gemisch bestimmen. Die Forscher sagen, dass die MOF-basierte e-nose ein einfaches Gerät zur Unterscheidung der drei Formen von Xylol bei der Umweltüberwachung und diagnostischen Gesundheitstests ist.

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