Forskare har utvecklat en sensor gjord av "frusen rök" som använder artificiell intelligens för att detektera formaldehyd i realtid vid koncentrationer så låga som åtta delar per miljard, långt över känsligheten hos de flesta inomhusluftkvalitetssensorer.
Forskarna, från University of Cambridge, utvecklade sensorer gjorda av mycket porösa material som kallas aerogeler. Genom att exakt utforma formen på hålen i aerogelerna kunde sensorerna detektera fingeravtrycket av formaldehyd, en vanlig luftförorening inomhus, vid rumstemperatur.
De proof-of-concept-sensorerna, som kräver minimal effekt, skulle kunna anpassas för att detektera ett brett spektrum av farliga gaser och kan även miniatyriseras för bärbara och hälsovårdsapplikationer. Resultaten rapporteras i tidskriften Science Advances .
Flyktiga organiska föreningar (VOC) är en viktig källa till luftföroreningar inomhus, vilket orsakar rinnande ögon, sveda i ögon och hals och andningssvårigheter vid förhöjda nivåer. Höga koncentrationer kan utlösa attacker hos personer med astma, och långvarig exponering kan orsaka vissa cancerformer.
Formaldehyd är en vanlig VOC och släpps ut av hushållsartiklar inklusive pressade träprodukter (som MDF), tapeter och färger och vissa syntetiska tyger. För det mesta är nivåerna av formaldehyd som avges av dessa föremål låga, men nivåerna kan byggas upp med tiden, särskilt i garage där färger och andra formaldehydavgivande produkter är mer benägna att lagras.
Enligt en rapport från 2019 från kampanjgruppen Clean Air Day visade en femtedel av hushållen i Storbritannien anmärkningsvärda koncentrationer av formaldehyd, där 13 % av bostäderna översteg den rekommenderade gränsen som fastställts av Världshälsoorganisationen (WHO).
"VOC som formaldehyd kan leda till allvarliga hälsoproblem med långvarig exponering även vid låga koncentrationer, men nuvarande sensorer har inte känsligheten eller selektiviteten för att skilja mellan VOC som har olika effekter på hälsan", säger professor Tawfique Hasan från Cambridge Graphene Center, som ledde forskningen.
"Vi ville utveckla en sensor som är liten och som inte använder mycket ström, men som selektivt kan detektera formaldehyd i låga koncentrationer", säger Zhuo Chen, tidningens första författare.
Forskarna baserade sina sensorer på aerogeler:ultralätta material som ibland kallas "flytande rök", eftersom de är mer än 99 volymprocent luft. Den öppna strukturen hos aerogel gör att gaser enkelt kan röra sig in och ut. Genom att exakt konstruera formen eller morfologin hos hålen kan aerogelerna fungera som mycket effektiva sensorer.
I samarbete med kollegor vid Warwick University optimerade Cambridge-forskarna aerogelernas sammansättning och struktur för att öka deras känslighet för formaldehyd, vilket gjorde dem till filament som är ungefär tre gånger så stora som ett människohår.
Forskarna 3D-printade linjer av en pasta gjord av grafen, en tvådimensionell form av kol, och frystorkade sedan grafenpastan för att bilda hålen i den slutliga aerogelstrukturen. Aerogelerna innehåller också små halvledare som kallas kvantprickar.
Sensorerna de utvecklade kunde detektera formaldehyd i koncentrationer så låga som åtta delar per miljard, vilket är 0,4 procent av den nivå som anses vara säker på brittiska arbetsplatser. Sensorerna fungerar även i rumstemperatur och förbrukar mycket låg effekt.
"Traditionella gassensorer måste värmas upp, men på grund av hur vi har konstruerat materialen fungerar våra sensorer otroligt bra i rumstemperatur, så de använder mellan 10 och 100 gånger mindre ström än andra sensorer", säger Chen.
För att förbättra selektiviteten inkorporerade forskarna sedan maskininlärningsalgoritmer i sensorerna. Algoritmerna tränades för att detektera "fingeravtryck" för olika gaser, så att sensorn kunde skilja fingeravtrycket av formaldehyd från andra flyktiga organiska föreningar.
"Befintliga VOC-detektorer är trubbiga instrument - du får bara ett nummer för den totala koncentrationen i luften," sa Hasan. "Genom att bygga en sensor som kan detektera specifika VOC i mycket låga koncentrationer i realtid kan den ge hem- och företagsägare en mer exakt bild av luftkvaliteten och eventuella hälsorisker."
Forskarna säger att samma teknik skulle kunna användas för att utveckla sensorer för att upptäcka andra VOC. I teorin skulle en enhet som är lika stor som en vanlig kolmonoxiddetektor för hushåll kunna inkludera flera olika sensorer i den, vilket ger realtidsinformation om en rad olika farliga gaser.
Teamet på Warwick utvecklar en billig multisensorplattform som kommer att införliva dessa nya aerogelmaterial och, tillsammans med AI-algoritmer, upptäcka olika VOC.
"Genom att använda mycket porösa material som avkänningselement öppnar vi upp helt nya sätt att upptäcka farliga material i vår miljö", säger Chen.
Mer information: Zhuo Chen et al, Realtids-, brus- och driftfjädrande formaldehydavkänning vid rumstemperatur med aerogelfilament, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6856. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6856
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Cambridge
