IT201900002063A1 - Sensore per la rilevazione di gas - Google Patents
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Description
Titolo: SENSORE PER LA RILEVAZIONE DI GAS
D E S C R I Z I O N E
Il presente trovato ha come oggetto un sensore per la rilevazione di gas.
E' noto che l'analisi dei composti organici volatili con sensori è ampiamente studiata sia in letteratura scientifica che in quella brevettuale, per la sua rilevanza in molteplici applicazioni pratiche in particolare nell'industria alimentare (verifica della freschezza di alimenti dell’industria ittica, valutazione della stagionatura dei formaggi, controllo dell’idoneità degli imballaggi) nell'industria chimica e in biomedicina.
Uno dei principali problemi di questa tipologia di sensori è quello che raramente, nell'applicazione pratica, è possibile rilevare la presenza di un solo analita (sostanza disciolta in soluzione a concentrazione incognita) nel flusso di gas analizzato.
Al contrario, in genere è necessario analizzare miscele complesse di gas, costituite da decine o centinaia di composti diversi.
Per esempio, nell'analisi dei vapori provenienti dal processo di tostatura del caffè si riscontrano più di 800 analiti diversi [ChahanYeretzian · Alfons Jordan · RaphaelBadoudWernerLindinger From the green bean to the cup of coffee: investigating coffee roasting by on-line monitoring of volatile, EurFood Res Technol (2002) 214:92–104].
Anche nell'alito umano (esalazione) sono presenti centinaia di analiti, tipicamente composti organici, utili per l'individuazione di patologie [B. Buszewski, M. Kesy, T. Ligor, A. Amann, Human exhaled air analytics: biomarkers of diseases, Biomed. Chromatogr. 21 (2007) 553–566].
Questa molteplicità di composti, contemporaneamente presenti nella miscela da analizzare, rende difficilissima la loro individuazione selettiva, a causa dell'interferenza reciproca degli analiti contemporaneamente presenti.
Inoltre, frequentemente, nella miscela da analizzare sono presenti cospicue quantità d'acqua.
Per esempio, nell'esalato umano, in proporzioni variabili a seconda della profondità dell'espirazione, si ritrovano quantità di acqua allo stato di vapore nell'ordine del 5% in volume [P.S.Dhami, G.Chopra, H.N. Shrivastava (2015). A Textbook of Biology. Jalandhar, Punjab: Pradeep Publications pp. V/101]).
L'acqua, data la sua polarità, interferisce notevolmente con i sistemi attuali di determinazione dei composti volatili presenti nell'esalazione, in particolare per i composti organici come acetone, etanolo e simili; rendendo quindi difficile stimare effettivamente le concentrazioni corrette dei diversi analiti.
Per superare questi problemi gli attuali dispositivi per l'analisi dell'esalazione prevedono la presenza di uno stadio di essicazione dell'esalato, che può avvenire sia al momento dell'esalazione (l'esalato viene fatto passare attraverso un percorso contenente composti disidratanti prima di essere immagazzinato) sia durante l'analisi.
Per questi motivi i dispositivi attualmente in uso sono ingombranti, lenti nel funzionamento e richiedono, il più delle volte, una preconcentrazione, non riuscendo comunque a dare una risposta immediata.
E' inoltre noto l'utilizzo di grafene come elemento sensibile al gas.
Il grafene ha infatti ottime caratteristiche di trasporto di carica, ed è potenzialmente disponibile a basso costo.
L'adsorbimento sulla superficie del grafene di molecole gassose crea un drogaggio del grafene stesso, tale drogaggio determina quindi modifiche della conduttività del grafene dovute a cambiamenti della concentrazione dei portatori di carica e rende possibile la rilevazione di analiti gassosi, anche a concentrazioni infinitesimali [F. Schedin, A.K. Geim, S.V. Morozov, E.W. Hill, P. Blake, M.I. Katsnelson, et al.,Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene, Nat. Mater. 6(2007) 652–655].
Inoltre, il grafene è relativamente facile da funzionalizzare con diversi composti chimici quali gruppi nitro, ossidrili, acidi carbossilici come nel grafene ossido, e può essere additivato di solventi altobollenti quali NMP, DMF o di altri composti: polimeri, surfattanti, DNA, originando addotti con particolari proprietà funzionali.
In letteratura scientifica sono riportati diversi casi di utilizzo di sensibilizzanti usati insieme al grafene per rilevare gas, per esempio nanocristalli di Cu2O [S. Deng et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4905−4917] o polianilina [L. Al.Mashat et al., J. Phys. Chem. C 2010, 114, 16168–16173].
Dal punto di vista teorico, l'impiego del grafene consente di ottenere sensori per la rilevazione di gas che presentano elevata sensibilità, consentendo il riconoscimento anche di singole molecole, a condizione però che il rilevamento sia effettuato sotto vuoto [F. Schedin, A.K. Geim, S.V. Morozov, E.W. Hill, P. Blake, M.I. Katsnelson, et al.,Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene, Nat. Mater.
6(2007) 652–655].
Un altro limite dell'impiego del grafene, come elemento sensibile, è che queste prestazioni possono essere ottenute solo usando singoli fogli di grafene o, in alternativa, pochi fogli parzialmente sovrapposti tra loro.
Ciò limita la realizzazione, su vasta scala, di questa tipologia di dispositivi, richiedendo strumentazioni costose utilizzabili solo da personale altamente specializzato; al momento è quindi idonea ad una produzione esclusivamente in laboratorio.
Compito principale del presente trovato è quello di risolvere i problemi sopra esposti, proponendo un sensore per la rilevazione di gas con elevata capacità di discriminazione dei diversi analiti contemporaneamente presenti nella miscela analizzata, anche in presenza di interferenti.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di proporre un sensore per la rilevazione di gas di dimensioni contenute e quindi integrabile in dispositivi elettronici.
Ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un sensore per la rilevazione di gas avente rapida risposta.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un sensore per la rilevazione di gas che richieda per il funzionamento una potenza elettrica ridotta, consentendo l'alimentazione del sensore in continuo anche in assenza di tensione di rete.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un sensore per la rilevazione di gas di costi contenuti, di relativamente semplice realizzazione pratica e di sicura applicazione.
Questo compito e questi scopi vengono raggiunti da un sensore per la rilevazione di gas caratterizzato dal fatto che comprende una porzione sensibile alla concentrazione di gas almeno parzialmente costituita da un elemento scelto fra grafene e derivati del grafene, detto elemento essendo additivato con almeno un disperdente, detto disperdente comprendendo:
- almeno un gruppo etereo comprendente da 3 a 400 unità ripetitive, detto gruppo etereo essendo preferibilmente del tipo di un gruppo etossilico; ed
- almeno un gruppo aromatico sostituito in cui il relativo sostituente è del tipo di un gruppo funzionale selezionato dall'insieme costituito da: ammine, ammidi, immidi ammidi isocianati, gruppi solforici, gruppi fosforici, carbossilici, fenolici, alcoli, eteri, aldeidi, esteri, anidridi, stirenici, nitroaromatici, piridinici, pirimidinici, imidazoli, azobenzeni, nafteni, antarceni, difenoli, alidi, alcani e alcheni con uno o più gruppi aromatici presenti in catena.
Tale compiti e tali scopi sono inoltre raggiunti da un dispositivo del tipo preferibilmente scelto fra uno smartphones, un tablets, un personal computers, un lettore mp3, un riproduttore di contenuti video e audio portatile e simili, caratterizzato dal fatto che comprende un sensore di gas secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di un sensore per la rilevazione di gas.
Secondo il trovato il sensore comprende una porzione sensibile alla concentrazione di gas almeno parzialmente costituita da un elemento scelto fra grafene e derivati del grafene.
Tale elemento è additivato con almeno un disperdente.
Il disperdente comprendendo:
- almeno un gruppo etereo comprendente da 3 a 400 unità ripetitive, detto gruppo etereo essendo preferibilmente del tipo di un gruppo etossilico; ed
- almeno un gruppo aromatico sostituito in cui il relativo sostituente è del tipo di un gruppo funzionale selezionato dall'insieme costituito da: ammine, ammidi, immidi ammidi isocianati, gruppi solforici, gruppi fosforici, carbossilici, fenolici, alcoli, eteri, aldeidi, esteri, anidridi, stirenici, nitroaromatici, piridinici, pirimidinici, imidazoli, azobenzeni, nafteni, antarceni, difenoli, alidi, alcani e alcheni con uno o più gruppi aromatici presenti in catena.
Si specifica che il particolare grafene, con cui è realizzata la porzione sensibile alla concentrazione di gas, permette un assorbimento e desorbimento temporaneo e veloce di molte sostanze chimiche, differenziando tale fenomeno tra le diverse specie chimiche in gioco.
Inoltre, consente di ottenere una variazione misurabile e reversibile delle proprietà elettriche della porzione sensibile quando la stessa è almeno parzialmente esposta al gas da analizzare e quindi in presenza di sostanze chimiche.
E' bene sottolineare che il grafene, secondo il trovato, presenta una stabilità meccanica quando applicato sulla porzione sensibile, senza che sia strettamente necessaria l'aggiunta di altri additivi.
Secondo una forma di realizzazione di particolare efficacia ed efficienza la porzione sensibile potrà essere interposta fra due elettrodi interdigitati complanari.
Tale porzione sensibile e gli elettrodi costituiscono quindi un resistore.
Durante la rilevazione la porzione sensibile è quindi almeno parzialmente esposta al gas da analizzare.
Il gas impregnando la porzione sensibile determinando la conseguente variazione della relativa resistività elettrica e quindi della resistenza elettrica del sensore.
La misurazione dei parametri elettrici del sensore consentendo quindi l'individuazione della concentrazione di un singolo componente specifico del gas da analizzare.
Tali parametri elettrici potranno essere la corrente che attraversa tali elettrodi interdigitati, la tensione e la resistività della porzione sensibile.
Nel caso in cui il resistore sia alimentato in corrente alternata, oltre alla variazione dei parametri elettrici del sensore, anche la variazione dell'impedenza consente l'individuazione della concentrazione di un singolo componente specifico del gas da analizzare.
L'impregnazione della porzione sensibile, infatti, determina la variazione della resistività elettrica della porzione stessa e quindi dell'impedenza elettrica del sensore.
Secondo una soluzione di particolare praticità ed utilità, la porzione sensibile può essere interposta fra due elettrodi interdigitati complanari, definiti su di uno strato di materiale isolante.
Inoltre, sarà presente un terzo elettrodo disposto al di sotto dello strato di materiale isolante.
Gli elettrodi interdigitati, lo strato di materiale isolante e il terzo elettrodo definendo quindi una struttura a transistor.
Durante la rilevazione la porzione sensibile potrà essere almeno parzialmente esposta al gas da analizzare.
Tale gas impregnando quindi la porzione sensibile determinando la conseguente variazione della relativa resistività elettrica e quindi della resistenza elettrica tra gli elettrodi interdigitati.
La misurazione di almeno una grandezza scelta tra i parametri elettrici rilevabili tra gli elettrodi interdigitati, la tensione da applicare al terzo elettrodo al fine di mantenere costante il valore di corrente fluente fra detti elettrodi interdigitati e la capacità rilevabile fra uno degli elettrodi interdigitati ed il terzo elettrodo, consente quindi l'individuazione della concentrazione di un singolo componente specifico del gas.
Tali parametri elettrici potranno essere la corrente che attraversa tali elettrodi interdigitati, la tensione e la resistività della porzione sensibile.
Si specifica inoltre che il grafene potrà essere del tipo ottenuto attraverso un procedimento di esfoliazione meccanica di materiale grafitico.
Inoltre, gli additivi usati per l'esfoliazione potranno avere proprietà funzionali, ovvero un'affinità più o meno elevata con l'analita da rilevare.
Tale affinità permette quindi al sensore, secondo il trovato, di discriminare tra diversi analiti. Tale procedimento consente inoltre di gestire facilmente anche il processo di deposizione del grafene sulla porzione sensibile, non richiedendo condizioni o strumentazione specifica per la sua applicazione.
Non si esclude comunque la possibilità che il grafene, secondo il trovato, possa essere ottenuto con le normali tecniche di miscelazione utilizzate industrialmente, oppure direttamente durante la produzione del materiale lamellare partendo da materiale grafitico.
Si specifica inoltre che lo strato di grafene può essere depositato sulla porzione sensibile secondo un metodo preferibilmente scelto fra stampa flessografica, inkjet, rotocalco, spray coating, serigrafia, dip coating, slot die, blade coating, CVD e simili.
E' bene inoltre precisare che i derivati del grafene potranno essere del tipo di few layer graphene (FLG), graphene nanoplates, grafene CVD, nano grafite, grafene ossido, grafite ossido, nanoribbon di grafene (GNR), graphene quantum dots e simili.
Secondo una soluzione preferita, il grafene potrà comprendere un sensibilizzante.
Il sensore, secondo il trovato, potrà essere connesso ad un dispositivo del tipo preferibilmente scelto fra uno smartphones, un tablets, un personal computers, un lettore mp3, un riproduttore di contenuti video e audio portatile e simili.
E' oggetto del presente trovato anche un dispositivo del tipo preferibilmente scelto fra uno smartphones, un tablets, un personal computers, un lettore mp3, un riproduttore di contenuti video e audio portatile e simili, che comprende un sensore di gas secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti.
Non si esclude inoltre la possibilità che il sensore sia compreso e/o connesso con un dispositivo elettronico dedicato al funzionamento del sensore stesso, oppure che il sensore sia compreso all'interno di un dispositivo che, a seguito della rilevazione, viene buttato e sostituito con un dispositivo nuovo.
Vantaggiosamente, il sensore per la rilevazione di gas presenta un elevata capacità di discriminazione tra diversi analiti contemporaneamente presenti nella miscela analizzata, anche in presenza di interferenti.
Opportunamente, il sensore per la rilevazione di gas, secondo il trovato, è di dimensioni contenute e quindi integrabile in dispositivi elettronici. Efficacemente, il sensore per la rilevazione di gas presenta una rapida risposta.
Utilmente, il sensore per la rilevazione di gas richiede una potenza elettrica ridotta che ne permetta l'alimentazione in continuo anche in assenza di tensione di rete.
Il trovato, così concepito, è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
Negli esempi di realizzazione illustrati singole caratteristiche, riportate in relazione a specifici esempi, potranno essere in realtà intercambiate con altre diverse caratteristiche, esistenti in altri esempi di realizzazione.
In pratica i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.
Claims (10)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Sensore per la rilevazione di gas caratterizzato dal fatto che comprende una porzione sensibile alla concentrazione di gas almeno parzialmente costituita da un elemento scelto fra grafene e derivati del grafene, detto elemento essendo additivato con almeno un disperdente, detto disperdente comprendendo: - almeno un gruppo etereo comprendente da 3 a 400 unità ripetitive, detto gruppo etereo essendo preferibilmente del tipo di un gruppo etossilico; ed - almeno un gruppo aromatico sostituito in cui il relativo sostituente è del tipo di un gruppo funzionale selezionato dall'insieme costituito da: ammine, ammidi, immidi ammidi isocianati, gruppi solforici, gruppi fosforici, carbossilici, fenolici, alcoli, eteri, aldeidi, esteri, anidridi, stirenici, nitroaromatici, piridinici, pirimidinici, imidazoli, azobenzeni, nafteni, antarceni, difenoli, alidi, alcani e alcheni con uno o più gruppi aromatici presenti in catena.
- 2. Sensore per la rilevazione di gas, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta porzione sensibile è interposta fra due elettrodi interdigitati complanari, detta porzione sensibile e detti elettrodi costituendo un resistore.
- 3. Sensore per la rilevazione di gas, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta porzione sensibile è almeno parzialmente esposta al gas da analizzare, detto gas impregnando detta porzione sensibile con conseguente variazione della relativa resistività elettrica e quindi della resistenza elettrica del sensore, la misurazione di parametri elettrici del sensore consentendo l'individuazione della concentrazione di un singolo componente specifico del gas.
- 4. Sensore per la rilevazione di gas, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, nel caso di alimentazione in corrente alternata, l'impregnazione di detta porzione sensibile determina la variazione della resistività elettrica di detta porzione e quindi dell'impedenza elettrica del sensore, la misurazione di parametri elettrici del sensore consentendo l'individuazione della concentrazione di un singolo componente specifico del gas.
- 5. Sensore per la rilevazione di gas, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta porzione sensibile è interposta fra due elettrodi interdigitati complanari, definiti su di uno strato di materiale isolante, un terzo elettrodo essendo disposto al di sotto di detto strato di materiale isolante, detti elettrodi interdigitati, detto strato di materiale isolante e detto terzo elettrodo definendo una struttura a transistor.
- 6. Sensore di gas, secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta porzione sensibile è almeno parzialmente esposta al gas da analizzare, detto gas impregnando detta porzione sensibile con conseguente variazione della relativa resistività elettrica e quindi della resistenza elettrica tra detti elettrodi interdigitati, la misurazione di almeno una grandezza scelta tra i parametri elettrici rilevabili tra detti elettrodi interdigitati, la tensione da applicare a detto terzo elettrodo al fine di mantenere costante il valore di corrente fluente fra detti elettrodi interdigitati, la capacità rilevabile fra uno di detti elettrodi interdigitati e detto terzo elettrodo, consentendo l'individuazione della concentrazione di un singolo componente specifico del gas.
- 7. Sensore di gas, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto grafene è del tipo ottenuto attraverso un procedimento di esfoliazione meccanica di materiale grafitico.
- 8. Sensore di gas, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti derivati del grafene sono del tipo di few layer graphene (FLG), graphene nanoplates, grafene CVD, nano grafite, grafene ossido, grafite ossido, nanoribbon di grafene (GNR), graphene quantum dots e simili.
- 9. Sensore di gas, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto grafene comprende un sensibilizzante.
- 10. Dispositivo del tipo preferibilmente scelto fra uno smartphones, un tablets, un personal computers, un lettore mp3, un riproduttore di contenuti video e audio portatile e simili, caratterizzato dal fatto che comprende un sensore di gas secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti.
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- 2019-02-13 IT IT102019000002063A patent/IT201900002063A1/it unknown
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