Syre är livsnödvändigt och en reaktiv faktor i många kemiska processer. Därför är metoder som exakt mäter syrgas relevanta för många industriella och medicinska tillämpningar: De analyserar avgaser från förbränningsprocesser, möjliggör syrefri bearbetning av livsmedel och läkemedel, övervakar syrehalten i luften vi andas eller syremättnaden i blodet.
Syreanalys spelar också en allt viktigare roll inom miljöövervakning.
”Sådana mätningar kräver dock vanligtvis skrymmande, strömkrävande och dyra enheter som knappast är lämpliga för mobila applikationer eller kontinuerlig användning utomhus”, säger Máté Bezdek, professor i funktionell koordinationskemi vid ETH Zürich. Hans grupp använder molekylära designmetoder för att hitta nya sensorer för miljögaser.
När det gäller syre har Bezdeks grupp nu lyckats. I en studie som publicerats i tidskriften Advanced Science har forskarna presenterat en ljusaktiverad högpresterande sensor som med precision kan detektera syre i komplexa gasblandningar och som dessutom har relevanta egenskaper för användning inom fältet.
En kompromisslös allroundprodukt
Lionel Wettstein, doktorand i Bezdeks grupp och försteförfattare till studien, förklarar: ”Konventionella mätmetoder kompromissar ofta med hög känslighet på bekostnad av andra kriterier.”
Det finns t.ex. sensorer som reagerar mycket känsligt på syre, men som förbrukar mycket ström och störs av miljöfaktorer som t.ex. luftfuktighet. Andra är toleranta mot störande gaser, men är mindre känsliga och förbrukas snabbt.
”Stationära enheter, komplexa prover och höga kostnader begränsar också de möjliga tillämpningarna”, säger Wettstein.
Den nya sensorn är å andra sidan en praktisk allroundlösning: Den är mycket känslig, kan detektera syremolekyler bland en miljon gaspartiklar och gör det på ett tillförlitligt sätt även vid högre koncentrationer. Den är också selektiv, dvs. den tål fukt och andra störande gaser, och har lång livslängd. Slutligen är den liten, men ändå billig, lätt att använda och förbrukar mycket lite ström.
Detta gör den miniatyriserade sensorn intressant för bärbara enheter och mobila realtidsmätningar ute på fältet – till exempel för att analysera bilavgaser eller för tidig upptäckt av förstörd mat. Detektorn är också lämplig för kontinuerlig övervakning av sjöar, floder och jordar med hjälp av distribuerade sensornätverk.
”Syrehalten i dessa ekosystem är en viktig indikator på den ekologiska hälsan”, säger Wettstein.
Sensormaterialet är baserat på en komposit av kolnanorör och titandioxid (TiO2). Ett färgämne (fotosensibiliserare) fångar upp grönt ljus och gör sensormaterialet känsligt för syre. Kredit: Bezdek Gruppe / ETH Zürich
Sensormolekyler med nanorör
För att uppnå de önskade egenskaperna har Bezdeks grupp specifikt utformat sensorn från molekylära komponenter. Den tillhör klassen kemiresistorer: dessa är små elektriska kretsar med ett aktivt sensormaterial som interagerar direkt med den molekyl som ska analyseras och därigenom förändrar dess elektriska motstånd.
”Den stora fördelen är att den här signalen kan mätas mycket enkelt”, säger Bezdek.
Forskarna valde en komposit av titandioxid och kolnanorör som grund för sensormaterialet. Titandioxid kan användas som ett kemiskt motstånd men har nackdelen att det vanligtvis bara fungerar vid mycket höga temperaturer.
”Av denna anledning har vi införlivat kolnanorör i kompositmaterialet”, fortsätter Bezdek.
Nanorören utgör den energibesparande plattformen – de ser till att sensorreaktionen sker vid rumstemperatur och inte behöver värmas upp. För att säkerställa att sensormaterialet på ett tillförlitligt sätt kan skilja syre från andra gaser inspirerades teamet av färgämnessensiterade solceller, där speciella färgämnesmolekyler som kallas fotosensibilisatorer samlar in ljusenergi och omvandlar den till elektrisk ström.
Forskarna har överfört denna funktionsprincip till sin sensor: I närvaro av grönt ljus överför fotosensibilisatorn elektroner till kompositmaterialet som består av titandioxid och nanorör. Därmed aktiveras materialet, vilket gör det särskilt känsligt för syre.
”I motsats till andra gaser hindrar syre denna laddningsöverföring i den aktiverade sensorn, vilket ändrar dess motstånd”, säger Wettstein.
Från labb till tillämpning i fält
Forskarna har redan lämnat in en patentansökan för sensorn och letar nu efter industriella partners för att vidareutveckla tekniken. Hållbara och tillförlitliga sensorer som specifikt mäter syre i gasblandningar beräknas ha en årlig marknadsvolym på cirka 1,4 miljarder US-dollar.
Teamet arbetar för närvarande med att utvidga sitt sensorkoncept utöver syre till att omfatta andra miljögaser som spelar en viktig ekologisk roll.
”Vårt sensormaterial har en modulär struktur, och vi vill undersöka hur man genom att ändra dess kemiska sammansättning kan upptäcka andra målmolekyler”, säger Bezdek.
Ett av de aktuella ämnena i hans grupp är detektering av kvävebaserade föroreningar som leder till övergödning inom jordbruket och förorenar mark och vatten.
”För att minska jordbrukssektorns ekologiska fotavtryck behöver vi sensorer som möjliggör exakt gödsling av åkrar”, säger Bezdek.
För mer information: Lionel Wettstein et al, A Dye-Sensitized Sensor for Oxygen Detection under Visible Light, Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202405694
