JP2006250890A - Volatile organic matter sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス中の揮発性有機物を検出する揮発性有機物センサに関する。 The present invention relates to a volatile organic substance sensor that detects volatile organic substances in a gas.
従来の揮発性有機物(VOC)センサでは、ガス中の濃度測定する化学物質と反応して吸収スペクトルが変化する物質を塗布した試験紙の色変化を評価するために、白色光を試験紙に照射し、その反射光を3色の受光デバイスたとえばCCDやフォトダイオードで受光して、試験紙の色変化を評価するものがあった(例えば、非特許文献1を参照。)。 In a conventional volatile organic substance (VOC) sensor, white paper is irradiated with white light to evaluate the color change of a test paper coated with a substance that changes its absorption spectrum by reacting with a chemical substance whose concentration is measured in gas. In some cases, the reflected light is received by a light receiving device of three colors, for example, a CCD or a photodiode, and the color change of the test paper is evaluated (for example, see Non-Patent Document 1).
このような揮発性有機物センサにあっては、受光デバイスとして複数の高価な光倍増管、CCD、フォトダイオードを用いているため、揮発性有機物センサ自体も高価となる。なお、高価という意味は、デバイス出力電圧または電流を計測するための電流評価回路や電圧評価回路も含む。 In such a volatile organic sensor, since a plurality of expensive photomultiplier tubes, CCDs, and photodiodes are used as the light receiving device, the volatile organic sensor itself is also expensive. The meaning of “expensive” includes a current evaluation circuit and a voltage evaluation circuit for measuring the device output voltage or current.
本発明の目的は、低コストの揮発性有機物センサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a low-cost volatile organic sensor.
本発明に係る揮発性有機物センサは、第1の状態から、所定の揮発性有機物と接触することによって第2の状態に変化する指標物質と、
前記指標物質の温度を制御する温度制御部と、
第1波長の光を前記指標物質に照射する第1発光デバイスと、
前記第1波長と異なる第2波長の光を前記指標物質に照射する第2発光デバイスと、
前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して電気信号を出力する受光デバイスと、
前記第1発光デバイスから前記指標物質に前記第1波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第1電気信号を観測し、前記第2発光デバイスから前記指標物質に前記第2波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第2電気信号を観測し、前記第1電気信号と前記第2電気信号とに基づいて前記指標物質が前記第1状態であるか前記第2状態であるかを判別し、評価対象のガス中における前記揮発性有機物の有無を評価する制御部と
を備えることを特徴とする。
The volatile organic substance sensor according to the present invention includes an indicator substance that changes from a first state to a second state by contact with a predetermined volatile organic substance,
A temperature control unit for controlling the temperature of the indicator substance;
A first light emitting device for irradiating the indicator substance with light of a first wavelength;
A second light emitting device for irradiating the indicator substance with light having a second wavelength different from the first wavelength;
A light receiving device that receives reflected light or transmitted light from the indicator substance and outputs an electrical signal; and
Irradiating the indicator substance with light of the first wavelength from the first light emitting device, observing a first electric signal output by receiving reflected or transmitted light from the indicator substance with the light receiving device, and Irradiating the indicator substance with light of the second wavelength from a second light emitting device, observing a second electrical signal output by receiving reflected or transmitted light from the indicator substance with the light receiving device, Based on one electric signal and the second electric signal, it is determined whether the indicator substance is in the first state or the second state, and the presence or absence of the volatile organic substance in the gas to be evaluated is evaluated. And a control unit.
本発明に係る揮発性有機物センサによれば、指標物質を所定温度に保持しながら、互いに異なる発光中心波長の2つの発光デバイスを順次発光させて指標物質に照射し、指標物質からの反射光又は透過光を1つの受光デバイスで順次受光して得られる第1電気信号と第2電気信号とに基づいて指標物質が第1状態又は第2状態のうちのいずれの状態であるかを判別し、揮発性有機物の有無を安定して精度よく評価できる。これにより、低コストであって高精度の揮発性有機物センサを提供できる。 According to the volatile organic sensor according to the present invention, while maintaining the indicator substance at a predetermined temperature, two light emitting devices having different emission center wavelengths are sequentially emitted to irradiate the indicator substance, and reflected light from the indicator substance or Determining whether the indicator substance is in the first state or the second state based on the first electric signal and the second electric signal obtained by sequentially receiving the transmitted light with one light receiving device; The presence or absence of volatile organic substances can be evaluated stably and accurately. Thereby, a low-cost and highly accurate volatile organic substance sensor can be provided.
本発明の実施の形態に係る揮発性有機物センサについて添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。 A volatile organic substance sensor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る揮発性有機物センサ10の構成を示す概略図である。この揮発性有機物センサ10は、7個の発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gとしてそれぞれ異なる発光中心波長を有する7個の発光ダイオードと、1個の受光デバイス2である発光ダイオードと、指標物質3としてのナイルレッドと、該指標物質3を収納する測定セル6と、測定セル6に評価対象のガスを導く配管5と、ガスを導入するためのポンプ4と、測定セル6内の指標物質3を一定の設定温度に制御する温度制御部7と、位置決め治具8と、制御部9とからなる。図2は、7つの発光デバイスと1つの受光デバイスとの位置関係を示す概略的な平面図である。7つの発光デバイスは1つの受光デバイス2を中心とした円弧状に配置されている。測定セル6は透明ガラスからなる。なお、発光デバイス及び受光デバイスである発光ダイオードは、すべて測定セル6の外部に配置されているが、各発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gからの光は測定セル6を透過し、指標物質3で一部反射され、受光デバイス2に至る。位置決め治具8は、各発光デバイス及び受光デバイス2と指標物質3との相対位置を可変あるいは固定するものである。制御部9は、各発光デバイスの発光タイミングを制御すると共に、受光デバイス2の出力から、指標物質3が揮発性有機物に曝される前の状態か、曝された後の状態のいずれであるかを判別し、評価対象のガスに該揮発性有機物が含まれるか否かを評価する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a volatile
図3は、指標物質3のナイルレッドの分子式を示す図である。ナイルレッドは、揮発性有機物(VOC)であるトリエチルアミンなどと相互作用することにより、わずかに色が変化する。図4は、ナイルレッドおよび希薄なトリエチルアミンと接触させたトリエチルアミンのスペクトルを示す。グラフからは分かりにくいが、トリエチルアミンとの反応前には吸収ピークは波長510nm近傍にあったが、反応後はわずかに短波長側へシフト(すなわち図では左方向に移動)した。その結果、波長500nmよりも短波長側の吸光度が少し上がり、長波長側の吸光度が少し上昇した。発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gに用いる発光ダイオードとして、発光中心波長が405nm(紫)、470nm(青)、570nm(緑)、595nm(黄)、630nm(橙)、640nm(赤)、880nm(赤外)である7つの発光ダイオードを選択した。受光デバイス2に用いる発光ダイオードとしては、上記各発光デバイスの発光中心波長と同等かより長い波長のものであれば用いることができる。この受光デバイス2には発光中心波長が960nmの発光ダイオードを用いた。
FIG. 3 is a diagram showing the molecular formula of Nile Red of the
この揮発性有機物センサ10では、発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gのみならず受光デバイス2にも発光ダイオードを用いている。これにより、発光デバイス及び受光デバイスの調達コストや基板への装着コスト等を下げることができると共に、消費電力を下げることができる。また、受光デバイスが高感度なため発光デバイスの発光量を小さくすることができ、指標物質の光劣化を小さくできる。
In the volatile
なお、発光デバイスには、発光ダイオードに限られず、エレクトロルミネッセンス素子を用いてもよい。また、受光デバイスには、発光ダイオードに限られず、フォトダイオードを用いてもよい。 Note that the light-emitting device is not limited to the light-emitting diode, and an electroluminescence element may be used. The light receiving device is not limited to the light emitting diode, and a photodiode may be used.
以下に、この揮発性有機物センサ10による揮発性有機物の評価について説明する。
(a)まず、指標物質3のナイルレッドを、溶媒であるクロロホルムに濃度が0.5mg/mlとなるように溶解し、その溶液をシリカプレート上に滴下し、直径約2cmになるように広げ、風乾して、紫色のスポットを得た。このスポット状の指標物質3を含むシリカプレートを測定セル6内の温度制御部7の上に載置した。
(b)次に、評価対象の揮発性有機物に、2−プロパノール、アセトアルデヒド、トリエチルアミン、酢酸を用い、参照用のサンプルガスとして、上記揮発性有機物をそれぞれ別々に空気中に250ppm、500ppmの濃度で含むものを用意した。
(c)発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gを、図2の平面図に示すように、受光デバイス2を中心として周囲に配置し、これらと指標物質3との相対位置を位置決め治具8によって固定する。
(d)温度制御部7で指標物質3の温度をほぼ25℃に制御しながら、ポンプ4によって、上記参照用のサンプルガスを配管5を介して測定セル6内に導入した。
(e)各発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gの発光ダイオードを時間間隔を空けて順次発光させて指標物質3からの反射光を受光デバイス2で受光し、出力される電気信号を順次測定した。
(f)各発光デバイス1a、1b、1c、1d、1e、1f、1gに対応する受光デバイス2の出力の結果について、上記参照用サンプルガスのうち、空気中の各揮発性有機物の濃度が250ppmの場合の評価結果(曝露前後の応答変化(%))を表1に示す。また、空気中の各揮発性有機物の濃度が500ppmの場合の評価結果(曝露前後の応答変化(%))を表2に示す。この結果から、各揮発性有機物について7つの発光デバイスによる応答の組合せがそれぞれ固有の組み合わせであることがわかる。
(g)そこで、評価対象の揮発性有機物を含有するガスについて、7つの発光デバイスによる応答の組合せを得て、上記4つの揮発性有機物の各組合せと比較することによって、4つの揮発性有機物のいずれであるか、あるいはその混合物であるかについて評価できる。さらに、評価対象のガスに含まれる4つの揮発性有機物のそれぞれの濃度についても評価できる。
Below, evaluation of the volatile organic substance by this volatile
(A) First, Nile Red of the
(B) Next, 2-propanol, acetaldehyde, triethylamine, and acetic acid are used as volatile organic substances to be evaluated, and the above volatile organic substances are separately provided in the air at concentrations of 250 ppm and 500 ppm as reference sample gases. I prepared something to include.
(C) The
(D) The reference sample gas was introduced into the
(E) The light emitting diodes of the
(F) Regarding the result of the output of the
(G) Therefore, for the gas containing the volatile organic substance to be evaluated, a combination of responses from the seven light emitting devices is obtained and compared with each of the above four volatile organic substance combinations. It can be evaluated whether it is a mixture thereof. Furthermore, each concentration of the four volatile organic substances contained in the gas to be evaluated can be evaluated.
図5は、表1の空気中のガス濃度が250ppmの場合の曝露前後の応答変化(%)を示す棒グラフである。このグラフから分かるように、4種の揮発性有機物に対する曝露前後の応答変化は全く異なっている。また、応答変化の程度は、表1及び表2を参照すると、揮発性有機物の濃度に依存することがわかる。すなわち、この揮発性有機物センサを使うことによって、低コストで揮発性有機物の定性評価及び定量評価ができる。 FIG. 5 is a bar graph showing the change in response (%) before and after exposure when the gas concentration in the air in Table 1 is 250 ppm. As can be seen from this graph, the response changes before and after exposure to the four volatile organics are quite different. In addition, referring to Tables 1 and 2, it can be seen that the degree of response change depends on the concentration of volatile organic substances. That is, by using this volatile organic substance sensor, qualitative evaluation and quantitative evaluation of the volatile organic substance can be performed at low cost.
従来のように、指標物質3の温度制御を行わない場合には、導入する大気の温度によって指標物質3の温度が変動するので、出力値が変動してしまい、受光デバイス2からの出力値から揮発性有機物の濃度を推定することが困難であった。この揮発性有機物センサ10では、指標物質3を所定温度に保持する温度制御部7を備える。そこで、この揮発性有機物センサによって、揮発性有機物を精度よく評価できる。なお、指標物質3の温度を上げた場合には安定なデータになる時間が早くなったが、濃度に対する応答量が小さくなった。
When the temperature control of the
また、揮発性有機物センサ10において、サンプルガスに加湿を行う加湿装置又は除湿を行う除湿装置等の湿度制御部をさらに設けてもよい。この場合、指標物質3が水分子に対して感受性を持つ場合に、水分子の影響を小さくすることができる。加湿装置には、水分子透過膜、水によるバブリング装置など、除湿装置には、冷却管、乾燥剤(酸化カルシウムなど)充填管などを用いることができる。
In the volatile
なお、上記の揮発性有機物は、悪臭物質でもあるので、この揮発性有機物センサは、悪臭センサとして用いることができる。その場合、においの感じ方は各個人で異なるという主観的な面もあるので、揮発性有機物質の濃度と臭い強度の関係をあらかじめデータベースとして、この揮発性有機物センサ内のメモリに記憶させておいてもよい。あるいは、該データベースを外部装置に記憶させておき、必要に応じて取得してもよい。この揮発性有機物センサの評価値と該データベースとを比較することにより、悪臭度を客観的に評価する悪臭センサとして用いることができる。 In addition, since said volatile organic substance is also a malodor substance, this volatile organic substance sensor can be used as a malodor sensor. In that case, since there is a subjective aspect that the smell is different for each individual, the relationship between the concentration of the volatile organic substance and the odor intensity is stored in advance as a database in the memory in the volatile organic substance sensor. May be. Alternatively, the database may be stored in an external device and acquired as necessary. By comparing the evaluation value of the volatile organic substance sensor with the database, the sensor can be used as a malodor sensor that objectively evaluates the malodor degree.
なお、上記の4つの揮発性有機物(2−プロパノール、アセトアルデヒド、トリエチルアミン、酢酸)は、悪臭物質である、アルコール類(ブタノールなど)、アルデヒド類(ホルムアルデヒドなど)、アミン類、有機酸(酪酸など)の代表として用いたものであり、これらに限定するものではない。この揮発性有機物センサは、上記4物質以外の悪臭物質の評価にも用いることができる。 The above four volatile organic substances (2-propanol, acetaldehyde, triethylamine, acetic acid) are malodorous substances such as alcohols (butanol etc.), aldehydes (formaldehyde etc.), amines, organic acids (butyric acid etc.) However, the present invention is not limited to these examples. This volatile organic substance sensor can also be used for evaluation of malodorous substances other than the above four substances.
なお、受光デバイス2の発光ダイオードの出力評価回路としては、TALANTA、第63巻、Issue 1、第167頁−第173頁、2004年5月に示される方法を用いることができる。この方法について以下に説明する。まず、受光デバイス2としての発光ダイオードには発光時とは逆のバイアスを印加しておく。それにより、発光部の半導体を挟む2つの電極に電荷が蓄積され、発光ダイオードはコンデンサーとして働く。半導体に光が照射されると、受光した光強度に応じた抵抗値を持つため、半導体を通して蓄積された電荷が移動して減少する。その結果、2電極間の電圧は下がる。例えば、最初に逆バイアスとして5V印加し、その後、一定の電圧、例えば、1.7Vまで低下するまでの時間(減衰時間)を計測する。この減衰時間は半導体の抵抗、すなわち受光した光強度に依存する。そこで、減衰時間を計ることによって受光した光強度を定量的に得ることができる。
In addition, as an output evaluation circuit of the light emitting diode of the
実施の形態2
本発明の実施の形態2に係る揮発性有機物センサは、実施の形態1に係る揮発性有機物センサと比較すると、指標物質3として、ナイルレッドに代えて、メチルレッド、ライハルト色素、あるいはコバルトポルフィリン、鉄ポルフィリン等の金属錯体を用いる点で相違する。指標物質3には、5,10,15,20−テトラキス(ペンタフルオロフェニル)21H,23H−ポルフィリン鉄(III)を用いる。これは、Fe(TPFP)と略称される。指標物質3のスポットの調製は、ナイルレッドと同様にして行うことができる。図6に、実施の形態1と同様な方法で、揮発性有機物としてトリエチルアミンおよび酢酸を含むサンプルガスを評価した結果を示す。この揮発性有機物センサによって、図6のグラフに示すように、揮発性有機物のトリエチルアミンと酢酸を識別することができる。
Compared with the volatile organic substance sensor according to
実施の形態3.
本発明の実施の形態3に係る揮発性有機物センサは、実施の形態1に係る有機物センサを実質的に二組備えているものと考えることができる。この揮発性有機物センサでは、2つの指標物質を用いる。第1指標物質には、実施の形態1の指標物質のナイルレッドを用い、第2指標物質には、実施の形態2の指標物質のFe(TPFP)を用いる。臭い物質(揮発性有機物)として、酢酸または2−プロパノールまたはトリエチルアミンの250ppm混入の空気を用いる。
It can be considered that the volatile organic sensor according to
この揮発性有機物センサによって、実施の形態1と同様な実験を行ったところ、第1指標物質のナイルレッドによって、トリエチルアミンと他の2物質を識別でき、第2指標物質のFe(TPFP)によって、酢酸と他の2物質をそれぞれ識別できた。そこで、第1指標物質のナイルレッドと第2指標物質のFe(TPFP)の両方の結果から、酢酸、2−プロパノール、トリエチルアミンの3物質を識別することができた。また、このように指標物質を2種類以上用いて得た評価データを用いて悪臭度の判断を精度よく行うことができる。 When this volatile organic substance sensor was used to perform the same experiment as in the first embodiment, triethylamine and the other two substances could be identified by the first indicator substance Nile Red, and by the second indicator substance Fe (TPFP), Acetic acid and the other two substances could be distinguished from each other. Therefore, from the results of both the first indicator substance Nile Red and the second indicator substance Fe (TPFP), three substances, acetic acid, 2-propanol and triethylamine, could be identified. In addition, the malodor degree can be accurately determined using the evaluation data obtained by using two or more kinds of indicator substances in this way.
なお、上記各実施の形態に係る揮発性有機物センサでは、発光デバイスには発光ダイオードを用いているが、これに限られない。例えば、発光デバイスとして、広い波長域の光、例えば、白色LED、白熱灯、蛍光灯等の白色光を発光するデバイスと所定の波長域の光のみを通過させるバンドパスフィルタとを組み合わせたものを用いてもよい。このように発光デバイスとして白色光を発光するデバイスとバンドパスフィルタとを組み合わせることによって、所望の発光中心波長を有する発光デバイスを簡易に構成することができる。なお、白色光を発光する1つの白色光発光デバイスと、シャッタとバンドパスフィルタとを組み合わせてもよい。この場合、シャッタを順次開閉することで発光デバイスを順次発光させることができる。これにより、所望の発光中心波長を有する発光デバイスを簡易に構成することができる。 In the volatile organic sensor according to each of the above embodiments, a light emitting diode is used as a light emitting device, but the present invention is not limited to this. For example, as a light emitting device, a combination of a device that emits light in a wide wavelength range, for example, white light such as a white LED, an incandescent lamp, and a fluorescent lamp, and a bandpass filter that passes only light in a predetermined wavelength range. It may be used. In this way, by combining a device that emits white light as a light emitting device and a bandpass filter, a light emitting device having a desired emission center wavelength can be easily configured. Note that one white light emitting device that emits white light, a shutter, and a band pass filter may be combined. In this case, the light emitting devices can sequentially emit light by sequentially opening and closing the shutters. Thereby, the light-emitting device which has a desired light emission center wavelength can be comprised easily.
また、以上の実施の形態において、本発明に係る揮発性有機物センサは、出力と濃度等との間の変換用データを格納するメモリや変換のための演算処理装置を備えていてもよい。さらに、変換用データを記憶する外部記憶装置から通信によって該変換用データを取得するかあるいは、演算結果を外部に送る発信器やアンテナ等の通信手段をさらに備えてもよい。またさらに、この揮発性有機物センサは、乾電池、蓄電池、太陽電池等の電源、データや演算結果を表示する表示装置を備えていてもよい。また、必要に応じて、演算結果に基づいて警報するアラーム装置、さらに、アラーム装置にアラーム設定値を入力するキー等を併せて備えていてもよい。 Moreover, in the above embodiment, the volatile organic substance sensor according to the present invention may include a memory for storing conversion data between output and concentration, and an arithmetic processing unit for conversion. Furthermore, the data for conversion may be acquired by communication from an external storage device that stores the data for conversion, or communication means such as a transmitter or an antenna for sending the calculation result to the outside may be further provided. Furthermore, the volatile organic substance sensor may include a power source such as a dry battery, a storage battery, and a solar battery, and a display device that displays data and calculation results. Further, if necessary, an alarm device for alarming based on the calculation result, and a key for inputting an alarm set value to the alarm device may be provided.
1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g 発光デバイス、2 受光デバイス、3 指標物質、4 ポンプ、5 配管、6 測定セル、7 温度制御装置、8 位置決め治具、9 制御部、10 揮発性有機物センサ
1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g Light emitting device, 2 Light receiving device, 3 Indicator material, 4 Pump, 5 Piping, 6 Measurement cell, 7 Temperature controller, 8 Positioning jig, 9 Control unit, 10 Volatilization Organic matter sensor
Claims (13)
前記指標物質の温度を制御する温度制御部と、
第1波長の光を前記指標物質に照射する第1発光デバイスと、
前記第1波長と異なる第2波長の光を前記指標物質に照射する第2発光デバイスと、
前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して電気信号を出力する受光デバイスと、
前記第1発光デバイスから前記指標物質に前記第1波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第1電気信号を観測し、前記第2発光デバイスから前記指標物質に前記第2波長の光を照射し、前記受光デバイスで前記指標物質からの反射光又は透過光を受光して出力される第2電気信号を観測し、前記第1電気信号と前記第2電気信号とに基づいて前記指標物質が前記第1状態であるか前記第2状態であるかを判別し、評価対象のガス中における前記揮発性有機物の有無を評価する制御部と
を備えることを特徴とする揮発性有機物センサ。 An indicator substance that changes from a first state to a second state by contact with a predetermined volatile organic substance;
A temperature control unit for controlling the temperature of the indicator substance;
A first light emitting device for irradiating the indicator substance with light of a first wavelength;
A second light emitting device for irradiating the indicator substance with light having a second wavelength different from the first wavelength;
A light receiving device that receives reflected light or transmitted light from the indicator substance and outputs an electrical signal; and
Irradiating the indicator substance with light of the first wavelength from the first light emitting device, observing a first electric signal output by receiving reflected or transmitted light from the indicator substance with the light receiving device, and Irradiating the indicator substance with light of the second wavelength from a second light emitting device, observing a second electrical signal output by receiving reflected or transmitted light from the indicator substance with the light receiving device, Based on one electric signal and the second electric signal, it is determined whether the indicator substance is in the first state or the second state, and the presence or absence of the volatile organic substance in the gas to be evaluated is evaluated. A volatile organic substance sensor comprising a control unit.
第2指標物質を含む第2組の請求項1から10のいずれか一項に記載の前記揮発性有機物センサと
を備え、
前記第2指標物質による測定結果を用いて前記第1指標物質による測定結果を較正し、前記評価対象のガスを評価することを特徴とする揮発性有機物センサ。 The volatile organic substance sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the volatile organic substance sensor includes a first indicator substance.
A volatile organic substance sensor according to any one of claims 1 to 10 comprising a second indicator substance.
A volatile organic substance sensor characterized by calibrating the measurement result of the first indicator substance using the measurement result of the second indicator substance and evaluating the gas to be evaluated.
A plurality of the volatile organic matter sensors according to any one of claims 1 to 8, or 10 comprising an indicator substance, each of the indicator substances being different from each other, based on the measurement results of the respective organic matter sensors, A volatile organic sensor characterized by evaluating a gas to be evaluated.
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