3D打印微流控气体探测器助力车内VOC监测

在互联移动时代，监测车内挥发性有机化合物（VOC）对于有效控制车内空气质量状况发挥着关键作用。在这种背景下，开发新的监测装置势在必行，不仅需要能够检测低浓度的VOC，还能识别那些对车内乘员的健康和舒适度构成重大风险的化合物。微流控气体探测器最近已成为一种经济高效的室内环境VOC离散化解决方案。尽管微流控气体探测器目前可能尚未达到其它分析方法的精度，但这些装置提供了简单而紧凑的设计，可在室温下工作，并且无需载气（carrier gas）即可运行；这为其在车辆中的应用带来了明显的竞争优势。

据麦姆斯咨询报道，近日，西班牙加泰罗尼亚理工大学（Polytechnic University of Catalonia）与SEAT S.A.的研究人员组成的团队在Environmental Technology & Innovation期刊上发表了题为“Enhanced selectivity of a 3D-printed microfluidic gas detector towards different volatile organic compounds (VOCs) for the effective monitoring of indoor air quality in vehicles”的论文，旨在研究3D打印微流控气体探测器对车内VOC进行半选择性检测的可行性。特别是，这项研究旨在分析是否可以通过（i）优化微通道壁上聚合物层的厚度，以及（ii）理解VOC和有机物之间的化学相容性的影响来提高这些装置的选择性。实验结果表明，较厚的聚合物薄膜能够增强和扩大微通道的滞留能力。此外，汉森溶解度参数（Hansen solubility parameters）被提出作为一种合适的工具，用于分析和确定聚合物-分析物相容性以及分析物的其它固有特性如何影响微流控通道中污染物的分离。

聚合物涂层微通道是以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底制造的，涂层则选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是一种致密的聚合物薄膜，具有高气体渗透性，这使其具有良好的分析物吸收和滞留特性。

为了制造微流控通道，研究人员从Ferplast购买了2 mm厚的PMMA片材。PDMS薄膜是通过将Sylgard 184有机硅弹性体套件的基底与相应的固化剂（10:1）混合而制备的，后者购自Dow Inc.。双面丙烯酸（ARcare 90445）和有机硅（ARsealTM 90889）粘合剂均购自 Adhesive Research，总厚度分别为82 µm（PSA #1）和142 µm（PSA #2），不包括保护衬垫。微通道的底部是两块使用CO₂激光切割机（BCN3D Ignis V2017）制造的矩形PMMA片材。

图1 聚合物涂层微流控通道和PETG 3D打印传感器外壳

为了进行不同的实验，研究人员将参考微通道和聚合物涂层微通道引入两个由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）制成的3D打印传感器外壳中。这些外壳中容纳了用于VOC检测和环境条件控制的评估套件。聚合物涂层微通道和PETG 3D打印传感器外壳的示意图和实物图如图1所示。

实验装置由一个50 L气室组成，用于在受控内部环境中评估不同微通道的响应。气室盖由PMMA制成，包含四个小接口。传感器单元（Sensirion AG的SGP40）通过USB连接到电脑（PC），用于数据收集和分析。

先前的研究报道指出，环境条件尤其是相对湿度，可能会对微通道的选择性产生不利影响。因此，所有实验均在气室内的合成空气环境中进行，温度（22℃±1℃）和相对湿度（40±5％）均受控。不同的微流控通道在4种常见VOC的存在下进行了测试，这些VOC在车厢中很常见：乙醇、甲醇、乙酸乙酯和甲苯。测试的分析物购自Sigma Aldrich，纯度≥ 99.0%。

首先，研究人员评估了薄膜厚度对传感器原始响应的影响（图2）。增加PDMS厚度被证明具有双重效应。对于相同的表面性质，较厚的聚合物薄膜有助于实现（i）更长的滞留时间，以及（ii）原始信号振幅的逐渐减小。

图2 具有参考和不同厚度PDMS涂层的微通道的SGP40传感器的响应

除了更高的分析物滞留之外，薄膜厚度还会影响微通道的选择性。图3汇总了参考和三个 不同厚度PDMS涂层的微通道对所研究的四种VOC的归一化响应。参考微通道的响应明显缺乏选择性。

在这项研究中，5.0 µm涂层微通道被认为是最佳选择，因为它们为所考虑的四种VOC提供了最大的选择性。图4还收集了传感器对甲苯和乙醇的受控混合物的响应。将5 μm涂层的微通道结合到传感器单元中可以清楚地区分两种化合物；SPG40传感器本身无法提供这种功能。

图3 参考和三个不同厚度PDMS涂层的微通道对四种VOC的归一化响应

图4 SGP40在不同条件下对甲苯和乙醇的受控混合物的响应

最后，该团队还研究了微通道的选择性和聚合物-分析物相容性之间的关系，如图5所示。

图5 不同厚度PDMS涂层的微通道的选择性与聚合物-分析物相容性之间的关系

综上所述，3D打印微流控气体探测器是一种对车内VOC进行半选择性检测的理想工具。实验结果表明，聚合物涂层微流控通道与通用传感器单元结合后能够识别VOC。在对每种化合物（乙醇、甲醇、乙酸乙酯和甲苯）进行单独研究时，制造的微通道在传感器的时间响应方面表现出明显的差异。当较厚的PDMS薄膜涂覆到微通道壁上时，这些差异明显加剧。此外，微流控气体探测器还能有效区分简单气体混合物（双区域）中的极性和非极性化合物，这有助于更好地控制车内的空气质量。

因此，本研究的成果凸显了聚合物层的厚度和性质在影响微通道分离能力方面发挥的关键作用。较厚的聚合物薄膜显示出更强的吸收能力，导致了更高的分析物滞留和选择性。另一方面，微通道的区分能力也在很大程度上取决于一些分析物的固有性质及其与涂层聚合物的化学相容性。总之，这项研究证明了微流控气体探测器在解决环境监测和车辆安全中的复杂挑战方面的潜力。未来的研究有望探索多个涂覆不同性质和几何配置的聚合物材料微流控通道的集成。这种探索可为一系列功能化微通道与先进的系统智能相结合奠定基础，相比单一微通道系统，其选择性有望得到显著提高。

审核编辑：刘清