Einfacher Farbwechselsensor erkennt schnell giftige Gase
Papierbasierter Sensorarray ermöglicht schnelle und genaue Messungen innerhalb von Minuten
Nicht alle giftigen Gase haben einen Geruch oder eine Farbe. Aber ein winziges Gitter aus pastell- und bonbonfarbenen Quadraten, das gefährliche Chemikalien in der Luft wie Chlorosarin - ein hochgiftiger Nervenkampfstoff - effektiv "erschnüffelt", könnte helfen, sie zu erkennen. Die Forscher berichten in der Zeitschrift ACS Sensors, dass sich die bunten Muster in ihrem preiswerten und haltbaren papierbasierten Sensorarray in Gegenwart von giftigen Gasen verändern und so schnelle und genaue Messungen innerhalb von Minuten ermöglichen.
Die winzigen Quadrate in diesem farbenfrohen Flickenteppich enthalten Siliziumdioxid-Nanopartikel, die in Gegenwart von giftigen Gasen ihre Farbe verändern.
Adapted from ACS Sensors 2025, DOI: 10.1021/acssensors.5c01026
Elektronische Nasen oder E-Nasen sind Geräte, die schädliche chemische Dämpfe aufspüren. Ihre elektronischen Komponenten können jedoch teuer sein und sind für feuchte Umgebungen nicht geeignet. Optoelektronische Nasen könnten diese Einschränkungen umgehen, indem sie die elektronischen Komponenten durch Farbstoffmoleküle ersetzen, die ihre Farbe ändern, wenn sie mit bestimmten Chemikalien reagieren. Vijay Tak und seine Kollegen haben ein neues optoelektronisches Nasendesign entwickelt und getestet: eine Anordnung von Sensoren, die tödliche Gase erkennen und messen. Jeder Sensor innerhalb des Arrays ist ein winziges Papierquadrat, das mikroskopisch kleine Siliziumdioxidpartikel enthält, die mit Farbstoffen beschichtet sind, die ihre Farbe und Intensität ändern, wenn sie mit bestimmten Molekülen oder Ionen in Kontakt kommen.
Zur Erprobung des Konzepts haben Tak und das Forschungsteam die Sensoren hergestellt, indem sie Siliziumdioxid-Mikropartikel in 36 verschiedene Farbstofflösungen getaucht haben. Nach dem Trocknen an der Luft erstellten sie eine 12x3 große Anordnung von farbwechselnden Sensoren, indem sie die getrockneten Partikel in eine Mikrotiterplatte gaben, ein Stück Klebepapier darauf legten und die Platte dann umdrehten, so dass die farbstoffhaltigen Siliziumdioxidpartikel in das Papier eingeprägt wurden. Zur strukturellen Unterstützung des Arrays wird ein dünnes Metallblech auf die klebrige Unterseite des Papiers geklebt.
Um die Genauigkeit der Anordnung zu testen, setzten die Forscher sie 12 giftigen Gasen in jeweils zwei Konzentrationen aus. Das Team verglich Fotos von Farbe und Intensität der Quadrate vor und nach fünf Minuten Gaseinwirkung. Daraus ergab sich ein Muster, mit dem sie die Art und Konzentration des Gases identifizieren konnten. In wiederholten Versuchen erreichten die farbwechselnden Sensoren eine Genauigkeit von 99 % bei der Identifizierung der Art der chemischen Bedrohung und eine Genauigkeit von 96 % bei der Messung der Konzentration in den Gasproben. Darüber hinaus bestätigte eine weitere Demonstration, dass die Genauigkeit des Arrays nicht durch Feuchtigkeit beeinträchtigt wird.
Bei geschätzten Herstellungskosten von 20 Cent pro Array könnten ihre Entwürfe einen kostengünstigen und anpassbaren Ansatz für die Umweltüberwachung unter realen Bedingungen bieten, so die Forscher. Als Nächstes planen sie die Entwicklung eines handgehaltenen Prototyps einer optoelektronischen Nase zum Testen auf gefährliche Chemikalien im Freien.
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Originalveröffentlichung
Rohit Shrivas, Hemant Nagpal, Sunil Agarwal, Ajeet Kumar, Raghavender Goud, Sushil Kumar Gupta, Vijay Tak; "Simple and Cost-Effective Fabrication of Embossed Colorimetric Sensor Array for an Optoelectronic Nose via Integration of a Self-Adhesive Paper and Mesoporous Colorimetric Silica Microparticles"; ACS Sensors, 2025-7-21
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