選択的に強化された 3D プリントされたマイクロ流体ガス検知器が車両内の VOC の監視に役立ちます

出典: マイクロ流体

コネクテッドモビリティの時代において、車内の揮発性有機化合物 (VOC) の監視は、車内の空気質を効果的に制御する上で重要な役割を果たします。このような状況では、低濃度の VOC を検出できるだけでなく、車両乗員の健康と快適性に重大なリスクをもたらす化合物を特定できる新しい監視装置の開発が不可欠です。マイクロ流体ガス検知器は、最近、屋内環境における VOC の分離のための費用対効果の高いソリューションとして登場しました。マイクロ流体ガス検出器は現時点では他の分析方法ほどの精度を達成していないかもしれませんが、これらのデバイスはシンプルでコンパクトな設計で、室温で動作し、動作にキャリアガスを必要としないため、車両での使用において明らかな競争上の優位性をもたらします。

MEMSコンサルティングによると、カタルーニャ工科大学とSEAT SAの研究者チームは最近、Environmental Technology & Innovation誌に「車内の室内空気質を効果的に監視するための、3Dプリントマイクロ流体ガス検知器のさまざまな揮発性有機化合物（VOC）に対する選択性の向上」と題する論文を発表した。この論文は、車内のVOCを半選択的に検知するための3Dプリントマイクロ流体ガス検知器の実現可能性を研究するものである。特に、本研究の目的は、(i)マイクロチャネル壁のポリマー層の厚さを最適化し、(ii)VOCと有機物間の化学的適合性の影響を理解することによって、これらのデバイスの選択性を改善できるかどうかを分析することです。実験結果は、より厚いポリマーフィルムがマイクロチャネルの保持能力を高め、拡大できることを示しています。さらに、ハンセン溶解度パラメータは、ポリマーと分析物の適合性や分析物のその他の固有特性がマイクロ流体チャネル内の汚染物質の分離にどのように影響するかを分析および判定するための適切なツールとして提案されています。

ポリマーコーティングされたマイクロチャネルは、ポリメチルメタクリレート (PMMA) 基板上に作製され、ポリジメチルシロキサン (PDMS) でコーティングされました。 PDMS は、高いガス透過性を備えた高密度ポリマーフィルムであり、分析対象物の吸収および保持特性が優れています。

マイクロ流体チャネルを作成するために、研究者らは Ferplast 社から厚さ 2 mm の PMMA シートを購入しました。 PDMS フィルムは、Sylgard 184 シリコーンエラストマーキットのベースと、Dow Inc. から購入した対応する硬化剤 (10:1) を混合して作成しました。両面アクリル (ARcare® 90445) およびシリコン (ARsealTM® 90889) 接着剤は、保護ライナーを除いて、それぞれ合計厚さ 82 μm (PSA #1) および 142 μm (PSA #2) のものを Adhesive Research から購入しました。マイクロチャネルの底部は、CO₂レーザー切断機 (BCN3D Ignis V2017) を使用して製造された 2 枚の長方形 PMMA シートで構成されています。

図 1 ポリマーコーティングされたマイクロ流体チャネルと PETG 3D プリントされたセンサーハウジングさまざまな実験を行うために、研究者は、ポリエチレンテレフタレートグリコール (PETG) で作られた 2 つの 3D プリントされたセンサーハウジングに、参照マイクロチャネルとポリマーコーティングされたマイクロチャネルを導入しました。これらの筐体には、VOC 検出および環境条件制御用の評価キットが収納されています。ポリマーコーティングされたマイクロチャネルと PETG 3D プリントされたセンサーハウジングの概略図と物理的写真を図 1 に示します。

実験装置は、制御された内部環境におけるさまざまなマイクロチャネルの応答を評価するための 50 L のガスチャンバーで構成されています。エアチャンバーカバーは PMMA 製で、4 つの小さなインターフェースが含まれています。センサーユニット（Sensirion AG の SGP40）は、データの収集と分析のために USB 経由でコンピューター（PC）に接続されました。

これまでの研究では、環境条件、特に相対湿度がマイクロチャネルの選択性に悪影響を及ぼす可能性があることが報告されています。したがって、すべての実験は、温度（22°C ± 1°C）と相対湿度（40 ± 5%）が制御された空気チャンバー内の合成空気環境で実施されました。車内でよく見られる 4 つの一般的な VOC (エタノール、メタノール、エチルアセテート、トルエン) の存在下で、さまざまなマイクロ流体チャネルがテストされました。試験した分析物は、純度 99.0% 以上のものを Sigma Aldrich から購入しました。

まず、研究者らは、膜厚がセンサーの生の応答に与える影響を評価しました (図 2)。 PDMS の厚さを増やすと、2 つの効果があることが示されました。同じ表面特性の場合、より厚いポリマーフィルムは、(i) 滞留時間の延長と (ii) 生の信号振幅の段階的な減少の達成に貢献します。
図 2. 基準マイクロチャネルと異なる厚さの PDMS コーティングを使用した SGP40 センサーの応答。分析対象物の保持力が高まるだけでなく、フィルムの厚さもマイクロチャネルの選択性に影響します。図 3 は、研究対象とした 4 つの VOC に対する、基準マイクロチャネルと、異なる PDMS コーティング厚さを持つ 3 つのマイクロチャネルの正規化された応答をまとめたものです。参照マイクロチャネルの応答には明らかに選択性が欠けています。

この研究では、検討対象の 4 つの VOC に対して最大の選択性を示したため、5.0 μm コーティングされたマイクロチャネルが最良の選択であると考えられました。図 4 には、トルエンとエタノールの制御された混合物に対するセンサー応答も示されています。 5 μm コーティングされたマイクロチャネルをセンサーセルに組み込むことで、2 つの化合物を明確に区別できるようになりました。これは、SPG40 センサーだけでは実現できない機能です。
図 3 4 種類の VOC に対する、リファレンスマイクロチャネルと PDMS コーティングの厚さが異なる 3 つのマイクロチャネルの正規化された応答図 4 さまざまな条件下でのトルエンとエタノールの制御された混合物に対する SGP40 の応答最後に、チームは、図 5 に示すように、マイクロチャネルの選択性とポリマーと分析物の適合性との関係も研究しました。
図 5 異なる厚さの PDMS コーティングを施したマイクロチャネルの選択性とポリマーと分析物の適合性の関係まとめると、3D プリントされたマイクロ流体ガス検出器は、車両内の VOC の半選択的検出に理想的なツールです。実験結果から、ポリマーコーティングされたマイクロ流体チャネルとユニバーサルセンサーユニットを組み合わせることで、VOC を識別できることが示されました。各化合物（エタノール、メタノール、エチルアセテート、トルエン）を個別に調べたところ、作製されたマイクロチャネルはセンサーの時間応答に明確な違いを示しました。これらの違いは、より厚い PDMS フィルムがマイクロチャネルの壁にコーティングされると、大幅に悪化します。さらに、マイクロ流体ガス検知器は、単純なガス混合物（デュアルゾーン）内の極性化合物と非極性化合物を効果的に区別できるため、車内の空気の質をより適切に制御するのに役立ちます。

したがって、この研究の結果は、ポリマー層の厚さと特性がマイクロチャネルの分離能力に影響を及ぼす上で重要な役割を果たしていることを浮き彫りにしています。より厚いポリマーフィルムはより強い吸着能力を示し、分析対象物の保持と選択性が向上しました。一方、マイクロチャネルの識別能力は、一部の分析対象物の固有の特性とコーティングポリマーとの化学的適合性にも大きく依存します。結論として、この研究は、環境モニタリングと車両安全性における複雑な課題に対処するためのマイクロ流体ガス検出器の可能性を示しています。今後の研究では、異なる特性と幾何学的構成を持つポリマー材料でコーティングされた複数のマイクロ流体チャネルの統合が検討されることが期待されます。この探究により、高度なシステムインテリジェンスと組み合わせた一連の機能化マイクロチャネルの基礎が築かれる可能性があり、単一のマイクロチャネルシステムと比較して選択性が大幅に向上すると期待されます。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.eti.2023.103481

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