Sensor herkent gassen beter door ze te ‘flitsen’

Afbeelding: KU Leuven.

De technologie, gepubliceerd in Nature Communications en inmiddels gepatenteerd, meet hoe snel moleculen zich door een speciaal nanomateriaal bewegen. Dat opent de deur naar een breed scala aan toepassingen.

Klassieke chemische sensoren meten meestal hoeveel van een bepaalde stof zich hecht aan een oppervlak. Maar in de lucht zweven honderden vluchtige organische stoffen (VOC’s), vaak in lage concentraties en door elkaar. Daarbovenop komt waterdamp, vaak duizend keer overvloediger aanwezig dan de te detecteren stoffen. Dat maakt het voor veel sensoren lastig om nauwkeurige metingen te doen. Het resultaat: gebrekkige betrouwbaarheid en onvoldoende precisie.

Het nieuwe sensorplatform van KU Leuven maakt gebruik van metaal-organische roosters (MOF’s): materialen met een netwerk van nanoporiën die allemaal exact even groot zijn. Die fungeren als een soort moleculaire flitspaal. Wanneer gasmoleculen door de poriën bewegen, bij een licht verhoogde temperatuur, doen ze dat elk met een eigen snelheid, afhankelijk van hun structuur. Die snelheid werkt als een vingerafdruk. Door ze te meten, kunnen onderzoekers verschillende gassen van elkaar onderscheiden, zelfs onder moeilijke omstandigheden waar klassieke sensoren falen.

Schaalbaar platform
Wat de KU Leuven-benadering bijzonder maakt, is dat het om een schaalbaar platform gaat. “Door het metaal-organisch rooster aan te passen, kunnen we de sensor afstemmen op specifieke gassen, zonder dat de onderliggende technologie zelf verandert”, verduidelijkt Verstreken. “Het systeem blijft compact, energiezuinig en performant. Zelfs in vochtige omgevingen of bij complexe gasmengsels en lage concentraties presteert het systeem beter dan commerciële elektronische neuzen.”

​Er loopt intussen ook een patentaanvraag op de specifieke sensorstructuur, want de toepassingsmogelijkheden zijn breed. Denk aan een ademtest voor vroege diagnose van diabetes. Of het opsporen van lekken in de chemische industrie en defecten in Li-ion batterijen, de luchtkwaliteit binnen of buiten in de gaten houden, of het monitoren van de versheid van groenten en fruit in opslag. Zelfs explosieven of drugs kunnen met deze technologie sneller en nauwkeuriger worden opgespoord. Dankzij het modulaire ontwerp kan de sensor telkens worden aangepast aan de taak: kies de juiste MOF’s, en het platform doet de rest.

“Dit is geen één-op-één sensor, maar een modulair platform,” benadrukt Verstreken. “Door de juiste MOF of combinatie van verschillende MOF’s te kiezen, kan je de sensor afstemmen op wat je wil detecteren. Die flexibiliteit maakt ons platform geschikt voor allerlei sectoren, van gezondheidszorg tot veiligheid.”