شناسایی فرمالدهید با نانوحسگر‌هایی که بو نمی‌کنند، اما آلاینده‌ها را می‌یابند

به گزارش مجله خبری نگار، فرمالدهید، ترکیبی فرّار و سمی است که در مواد ساختمانی، مبلمان و فرآیند‌های صنعتی به کار می‌روند، به منظور شناسایی این ترکیب، پژوهشگران با استفاده از فناوری نانوحسگرها، راهکار‌هایی حساس، سریع و قابل‌حمل برای پایش این آلاینده خطرناک ارائه کرده‌اند که می‌تواند سلامت انسان را در فضا‌های بسته و محیط‌های صنعتی حفظ کند.

فرمالدهید حتی در غلظت‌های پایین می‌تواند با بروز تحریکات تنفسی و در موارد حاد، سرطان، سلامت انسان را تهدید کند. سازمان جهانی بهداشت، حداکثر غلظت مجاز این ترکیب را در هوای داخل ساختمان‌ها برابر ۰.۱ میلی‌گرم بر متر مکعب (حدود ۰.۰۸ قسمت در میلیون) در بازه زمانی ۳۰ دقیقه‌ای اعلام کرده‌است. همچنین آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان (IARC) این ماده را در گروه «قطعاً سرطان‌زا برای انسان» طبقه‌بندی کرده و آن را با سرطان نازوفارنکس و لوسمی مرتبط دانسته‌است.

روش‌های کلاسیک شناسایی مانند طیف‌سنجی و کروماتوگرافی اگرچه دقیق هستند، اما برای پایش لحظه‌ای، اغلب حجیم و پرهزینه‌اند. نانوحسگر‌ها با تکیه بر مواد مهندسی‌شده در مقیاس اتمی و مولکولی، جایگزینی عملی، قابل‌حمل و ارزان‌تر به شمار می‌آیند. این حسگر‌های پیشرفته به دلیل حساسیت بالا، عملکرد در دمای محیط و امکان یکپارچه‌سازی با سیستم‌های هوشمند، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند.

یکی از خانواده‌های پرکاربرد در ساخت نانوحسگر‌های شناسایی گاز، نانوذرات اکسید فلزات مانند SnO₂، TiO₂ و Co₃O₄ هستند. این مواد نیمه‌رسانا در مقیاس نانو، سطح تماس بسیار بیشتری برای جذب گاز‌ها فراهم می‌کنند. در مطالعه‌ای، نانوکامپوزیت TiO₂@SnO₂ توانست غلظت‌هایی تا ۰.۰۶ ppm را شناسایی کند و عملکرد آن در حضور نور فرابنفش نیز بهبود یافت. همچنین نانوکره‌های توخالی Co₃O₄ با ساختار سه‌بعدی از جمله طراحی‌های موفقی هستند که در دمای محیط، پاسخ‌گویی سریع و حساسیت بالایی نشان داده‌اند.

در حوزه نانومواد کربنی، گرافن، نانولوله‌های کربنی و مشتقات آنها به‌دلیل رسانایی الکتریکی و پایداری بالا، در ساخت حسگر‌های فرمالدهید بسیار مؤثر بوده‌اند. ترکیب نانوذرات SnO₂ با گرافن احیاشده (rGO) در یکی از پژوهش‌ها به حسگری منجر شد که توان تشخیص تا ۳۳ ppb را داشت و پایداری ۱۲۰ روزه‌اش در کاربرد‌های عملی مانند تشخیص آلودگی در ماهی‌های فاسدشده تأیید شد. همچنین حسگر‌هایی بر پایه آئروژل‌های چاپ سه‌بعدی شده از کوانتوم‌دات‌ها و گرافن توانستند مقادیر کمتر از ۸.۰۲ ppb را در زمان واقعی با مصرف توان تنها ۱۳۰ میکرووات شناسایی کنند.

ترکیبات هیبریدی نیز در ساخت حسگر‌های دقیق کاربرد دارند. برای مثال، ترکیب ZIF-۸ و نانولوله‌های کربنی چنددیواره منجر به حسگری با سطح ویژه بالا و رسانایی مطلوب شده‌است. حتی در یک رویکرد زیست‌سازگار، از عصاره برگ درخت انبه برای ساخت نانوذرات اکسید آهن استفاده شد که قابلیت تشخیص فرمالدهید در محصولات غذایی مانند میوه‌ها و سبزیجات را فراهم می‌کرد.

نانوحسگر‌ها برای رصد کیفیت هوای داخل منازل، به‌راحتی در قالب دستگاه‌های قابل‌حمل یا سیستم‌های هوشمند خانگی استفاده می‌شوند و می‌توانند با اعلام هشدار به‌موقع، از بروز بیماری‌های تنفسی یا مزمن پیشگیری کنند. بررسی‌ها نشان می‌دهد حسگر‌های مقاومتی بر پایه گرافن یا نانوسیم‌های ZnO می‌توانند به‌خوبی در سیستم‌های خانگی یا حتی ابزار‌های پوشیدنی برای پایش VOC‌ها به کار گرفته شوند.

در محیط‌های صنعتی که در آن فرمالدهید تولید یا مصرف می‌شود، نانوحسگر‌ها نقشی حیاتی در شناسایی سریع نشت یا غلظت‌های خطرناک ایفا می‌کنند. به‌عنوان نمونه، حسگر طراحی‌شده با ترکیب NiCoMnO₄–rGO در یکی از پژوهش‌ها توانست آلاینده‌ای مانند BPAP را تا غلظت ۲ نانومولار در پساب صنعتی شناسایی کند.

به نقل از ستاد نانو، با وجود پیشرفت‌های چشم‌گیر، چالش‌هایی نظیر انتخاب‌پذیری بالا (تمایز فرمالدهید از سایر VOC ها)، پایداری طولانی‌مدت در شرایط محیطی و تولید انبوه با کیفیت یکنواخت همچنان باقی است. پژوهشگران تلاش دارند با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی، حسگر‌های چندآلاینده و طراحی‌های پوشیدنی، آینده‌ای کاربردی‌تر و دقیق‌تر برای نانوحسگر‌ها رقم بزنند.