Kontribusi Penulis
Abstrak
Risiko kesehatan yang berkaitan dengan paparan berbagai macam gas dan uap beracun merupakan hal yang pasti bagi para penanggap pertama seperti petugas pemadam kebakaran dan anggota tim HAZMAT, tetapi juga bagi banyak profesi lain mulai dari pemurnian air dan produksi kimia hingga industri minyak dan gas, dan bahkan masyarakat umum. Di sini dijelaskan pembuatan dan pengujian beberapa prototipe untuk platform sensor gas beracun baru berdasarkan pola kristal cair nematik cetak ink-jet. Sensor-sensor ini memerlukan daya nol untuk beroperasi dan dicirikan oleh sensitivitas tinggi hingga tingkat ppm dan ppb yang sangat relevan, waktu respons cepat dalam hitungan detik, daya tahan yang lebih baik, dan desain keseluruhan yang sangat dapat disesuaikan oleh calon pengguna akhir. Waktu respons sensor-sensor ini berkurang secara eksponensial seiring dengan konsentrasi gas beracun, sehingga membentuk ketergantungan difusivitas gas beracun dari cara kerjanya. Prototipe tersebut untuk dua gas beracun tertentu, klorin, dan fosgen, yang melakukan pengujian interferensi dalam kondisi kelembaban dan asap yang tinggi serta pengujian lapangan dengan petugas pemadam kebakaran aktif ditunjukkan.
1 Pendahuluan
Profesi seperti pemadam kebakaran dan penanggap pertama lainnya sering kali terpapar pada situasi berbahaya di mana mereka dapat bersentuhan dengan racun penyebab kanker atau gas kimia berbahaya yang menimbulkan risiko kesehatan dan keselamatan yang signifikan. [ 1 ] Ketika personel darurat menangani kecelakaan, kebakaran, atau bencana, mereka sering melakukannya tanpa sepenuhnya menyadari bahan kimia yang berpotensi berbahaya atau mematikan. Misalnya, penelitian dan pengujian atmosfer di lokasi kebakaran telah mengungkapkan bahwa asap beracun hadir di semua tahap kebakaran dan dapat bertahan pada tingkat tinggi bahkan setelah api padam. [ 2 ] Survei lokasi yang tepat dan analisis menyeluruh dapat membantu melindungi atau mengurangi situasi berbahaya ini dengan menggunakan alat pelindung diri (APD) dan perlengkapan. Namun, riset pasar kami sendiri telah mengungkapkan bahwa personel darurat sering kali tidak memiliki waktu untuk melakukan investigasi lokasi yang komprehensif dalam situasi hidup atau mati. Ini berarti mereka tidak dapat memastikan apakah udara aman untuk dihirup—ketidakpastian yang berpotensi fatal. Demikian pula, ketika berhadapan dengan agen perang kimia [ 3 ] atau kebocoran bahan kimia di fasilitas manufaktur, sangat penting untuk mengevaluasi tingkat keparahan bahaya guna menentukan tingkat kontaminasi. Penilaian ini akan membantu memberi saran kepada responden pertama tentang APD yang tepat untuk situasi tertentu.
Situasi ini menggambarkan kebutuhan kritis untuk secara aktif memantau paparan langsung dan jangka panjang terhadap gas dan uap beracun bagi responden pertama. Peralatan sensor gas komersial yang tersedia berkisar dari unit kecil yang dapat dikenakan hingga perangkat yang besar, berat, dan sulit digunakan. Detektor genggam yang lebih kecil sering kali hanya dapat mendeteksi satu gas atau sejumlah kecil gas. Ini termasuk tabung atau lencana deteksi gas. Sebaliknya, detektor gas yang lebih besar dapat mengambil sampel, mendeteksi, dan mengidentifikasi berbagai macam gas berbahaya. Sensor arus utama ini menggunakan pemrosesan mikro elektronik untuk mengubah sinyal menjadi sinyal keluaran tampilan. Ini berarti, teknologi ini bergantung pada daya listrik untuk mengoperasikan dan menampilkan gambar atau teks. Untuk meningkatkan keselamatan dan untuk melengkapi personel di daerah terpencil seperti kebakaran hutan, sensor optik daya nol akan memberikan lapisan keselamatan tambahan atau, dalam beberapa kasus, satu-satunya solusi keselamatan yang layak. Lebih jauh lagi, wawancara yang dilakukan dengan petugas pemadam kebakaran perkotaan dan hutan belantara menunjukkan bahwa desain sensor gas beracun harus cukup rumit untuk memperlengkapi semua personel secara langsung (yaitu, setiap anggota tim), mudah dibaca, mudah dioperasikan, dan berbiaya rendah.
Bahasa Indonesia: Kami sebelumnya melaporkan pada platform sensor kristal cair (LC) multi-mode yang memerlukan daya nol untuk beroperasi dan dapat, berdasarkan desain perangkat saja, digunakan sebagai sensor level ppt hingga level ppm analitis (dosis × waktu). [ 4 ] Pencetakan inkjet nanopartikel dengan cangkang ligan reaktif yang memengaruhi penjangkaran molekul LC nematik (N-LC) memfasilitasi pembuatan perangkat sensor yang menghasilkan peringatan atau gambar yang tidak salah lagi hanya berdasarkan transmisi atau pantulan cahaya. Ini sangat relevan karena teknologi lencana sensor gas yang berpotensi kompetitif di pasaran bersifat akumulatif secara analitis tetapi mengharuskan pengamat untuk membedakan warna dan intensitas warna. [ 5 ] Satu atau beberapa bentuk defisiensi penglihatan warna (buta warna) memengaruhi sekitar satu dari 12 pria dan satu dari 200 wanita. [ 6 ] Sensor yang hanya berdasarkan pembacaan kolorimetri dapat mengganggu atau melumpuhkan pemakainya dalam situasi darurat karena perubahan persepsi warna seperti yang disebabkan oleh rangsangan spektral lainnya, perubahan musim, usia, [ 7 ] atau perbedaan antara siang dan malam. [ 8 ] Dalam diskusi kami dengan kepala pemadam kebakaran dan petugas pemadam kebakaran, banyak yang menyampaikan kepada kami tentang kekurangan penglihatan warna mereka.
Desain dan pengoperasian sensor yang dilaporkan sebelumnya memberikan solusi untuk mendeteksi klorin (Cl 2 ), fosgen (COCl 2 ), dan amina alifatik (RNH 2 –R 3 N). [ 4 ] Mekanisme penginderaan terdiri dari dua elemen penting dan saling bergantung. Elemen pertama adalah bahan reaktif berdasarkan nanopartikel berlapis tunggal (NP), yang berinteraksi secara sensitif dan selektif dengan gas atau uap target beracun menggunakan kimia permukaan selektif pada permukaan NP. Reaksi kimia memodifikasi, secara ireversibel, gugus fungsi permukaan nanopartikel atau mengoksidasi cangkang ligan (diikuti oleh desorpsi dari permukaan NP). Untuk mengamati modulasi ini dengan mata telanjang, kami menggunakan bahan yang mampu menunjukkan perubahan yang seringkali tidak terlihat ini. [ 9 ] Karena kondisi penjangkaran N-LC sangat sensitif terhadap interaksi antarmolekul di permukaan, LC digunakan untuk menghasilkan respons visual melalui reorientasi molekuler. [ 10 ] Oleh karena itu, elemen kedua dari desain adalah lapisan N-LC kontinu (ketebalan beberapa µm) yang penahannya sensitif terhadap perubahan kimia permukaan NP yang, pada gilirannya, berfungsi sebagai lapisan penyelarasan yang dapat dikonfigurasi ulang, seperti yang umum digunakan dalam perangkat tampilan LC yang menggunakan medan listrik yang diterapkan. [ 11 ] Dengan demikian, N-LC bertindak sebagai penguat sinyal melalui perubahan orientasi molekuler yang divisualisasikan dengan menjepit perangkat di antara polarisator yang bersilangan. Dalam contoh untuk gas Cl 2 , orientasi molekuler LC awalnya tegak lurus terhadap substrat, yang diberikan oleh GNP yang dilapisi dengan tiol alifatik, yang sesuai dengan tidak adanya transmisi cahaya. Setelah terpapar gas yang ditargetkan, orientasi molekuler yang terlokalisasi terganggu secara ireversibel (dari orientasi vertikal ke horizontal melalui desorpsi tiol alifatik setelah oksidasi oleh Cl 2 ). Dengan membuat pola (pencetakan inkjet) NP emas reaktif (GNP) pada substrat dengan lapisan penyelarasan berbasis polimer tambahan, kontras transmisi cahaya yang dihasilkan dapat digunakan untuk menghasilkan teks, gambar, atau desain (motif) apa pun yang diinginkan pengguna. [ 4 ] Prinsip sensor ini memungkinkan kami untuk membuat platform perangkat sensor untuk gas beracun yang menghasilkan peringatan visual yang tidak salah lagi hanya berdasarkan transmisi cahaya dan penyumbatan cahaya ( Gambar 1a). Namun, waktu respons dan sensitivitas perangkat sensor ini diatur oleh difusivitas gas beracun yang ditargetkan melalui lapisan N-LC tipis ∼5 mikron. Untuk mencapai lapisan GNP berpola reaktif, gas atau uap harus berdifusi melalui ≈5 mm atau lebih dari lapisan N-LC sebelum mencapai GNP reaktif, dan transisi penjangkaran N-LC berpola secara bertahap berlanjut dari luar ke pusat pola GNP. Dengan nilai difusivitas gas atau uap melalui N-LC ≈1 × 10 −6 cm 2 s −1 (yaitu, ≈100 µm s −1 ), [ 12 ] waktu respons tercepat yang mungkin untuk tepi pola untuk mengubah penjangkaran N-LC adalah ≈8,3 menit. Sementara mode yang dikendalikan oleh difusivitas ini sangat cocok untuk konstruksi sensor dosis x waktu, yaitu, secara bertahap mengaktifkan pola dari waktu ke waktu, sensor respons langsung untuk tingkat toksisitas gas akut yang ditetapkan di AS oleh Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Kerja (OSHA) dan Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja (NIOSH) memerlukan desain ulang lengkap dari platform sensor ini yang secara drastis mengurangi jalur gas atau uap beracun melalui N-LC untuk mencapai lapisan reaktif yang, pada gilirannya, mengubah penjangkaran N-LC.
Gambar 1
a) Desain platform sensor LC daya nol sebelumnya yang memanfaatkan GNP cetak dan film N-LC yang diapit di antara dua substrat. Desain ini lebih menyukai penggunaan sensor dosis × waktu mengingat ketergantungan waktu respons terhadap difusivitas gas melalui lapisan N-LC. b) Desain yang direvisi berdasarkan pola N-LC cetak di atas lapisan reaktif GNP atau SAM yang menyediakan akses langsung gas ke lapisan reaktif melalui tetesan N-LC kecil yang dicetak dan berpola. Rendering 3-D menunjukkan desain perangkat utama (prinsip kerja keseluruhan dan tampilan samping beranotasi) serta contoh perangkat sebenarnya sebelum, setelah, atau selama paparan gas Cl 2 , c) Rendering 3-D dari tetesan N-LC tunggal yang dicetak yang menunjukkan penjangkaran molekul N-LC di antarmuka GNP/N-LC serta antarmuka N-LC/udara, masing-masing, dan d) perubahan lokal dalam penjangkaran N-LC di antarmuka GNP/N-LC setelah dekomposisi GNP yang dilapisi dodekanethiolat oleh gas Cl 2 seperti yang ditetapkan sebelumnya. [ 4 ]
Di sini kami menjelaskan bagaimana kami mencapai reduksi signifikan yang diperlukan dalam waktu respons dan peningkatan sensitivitas, khususnya untuk deteksi Cl 2 dan COCl 2 , dengan sekarang mencetak inkjet N-LC yang inert secara kimia sebagai tetesan kecil di atas spesies reaktif daripada mencetak/membuat pola spesies reaktif yang bereaksi secara selektif dengan gas beracun tertentu untuk akhirnya memaksa transisi penahan N-LC. Kedua gas ini adalah agen perang kimia, dan keduanya dihasilkan selama kebakaran perkotaan dan hutan belantara. Perbedaan batas paparan OSHA untuk Cl 2 (sebagai nilai batas atas) dan COCl 2 (sebagai rata-rata tertimbang waktu) mencerminkan profil toksikologi dan tingkat risiko yang berbeda. Perbedaan ini secara langsung memengaruhi persyaratan kinerja untuk platform sensor kami. Dengan mengeksplorasi kedua gas, platform sensor kami dapat menunjukkan fleksibilitas dalam beradaptasi dengan berbagai batas deteksi dan tuntutan operasional. COCl2 memerlukan sensitivitas dan kecepatan tinggi untuk mendeteksi konsentrasi yang sangat rendah secara akurat, sementara gas Cl2 membutuhkan batas deteksi yang kurang ketat tetapi memerlukan fokus tambahan pada daya tahan dan stabilitas jangka panjang sensor.
2 Hasil
2.1 Desain Sensor untuk Paparan Akut dan Segera
Berbeda dengan desain sebelumnya (lihat Gambar 1a ), dengan pola yang dihasilkan oleh pencetakan ink-jet spesies reaktif (yaitu, GNP berlapis tunggal) yang kemudian ditutupi oleh N-LC dan diapit di antara dua substrat yang memiliki lapisan penyelarasan tambahan, konsep desain sensor baru, yang digambarkan pada Gambar 1b , sekarang hanya memiliki satu substrat (kaca atau berpotensi juga berbasis polimer) yang diperlakukan dengan lapisan bawah penyelarasan (SiO x atau polimida) tempat GNP reaktif dicetak, cukup padat untuk menutupi hampir seluruh substrat (≈2 × 3 cm). Saat menggunakan GNP reaktif, lapisan bawah penyelarasan berfungsi sebagai lapisan adhesi untuk GNP berlapis tunggal tiol alifatik yang dicetak (lihat Informasi Pendukung untuk sintesis dan karakterisasi GNP; Bagian S1 , S2 ; Gambar S1 , Informasi Pendukung). Sisi lain dari substrat ini dilaminasi dengan film polarisator linier (berbasis polimer multi-lapis; lihat Bagian Eksperimental). Campuran N-LC atau N-LC yang inert secara kimia kemudian dipolakan dalam desain yang diinginkan dengan pencetakan inkjet [ 13 ] di atas lapisan GNP. Dengan menggunakan lem spacer atau pita spacer yang cukup tinggi di sudut-sudut atau di sepanjang tepi perangkat, substrat kedua ditempelkan untuk sekadar melindungi pola N-LC yang dicetak. Substrat kedua ini dilaminasi dengan film polarisator linier yang sama, disilangkan dengan yang pertama (polarisasi silang). Dalam desain ini, gas atau uap beracun memiliki akses langsung dan penuh ke seluruh pola tetesan N-LC yang dicetak, yang volumenya dan dengan demikian, diameter dan tingginya dapat dikontrol dengan mengatur parameter proses pencetakan inkjet yang sesuai. Karena N-LC lebih menyukai penjangkaran homeotropik (vertikal) di antarmuka udara, kimia permukaan GNP reaktif juga perlu menginduksi penjangkaran homeotropik sebelum paparan gas beracun untuk menghasilkan perangkat keadaan dasar hitam yang tidak tembus cahaya. Begitu reaksi kimia berlangsung di permukaan GNP (misalnya, dengan oksidasi dan desorpsi lapisan tunggal tiol alifatik pada permukaan GNP oleh gas Cl2 ) , [ 14 ] tetesan N-LC di atas lapisan GNP mengalami transisi penjangkaran yang diinginkan dari homeotropik menjadi planar. Kondisi penjangkaran hibrida keseluruhan yang dihasilkan kemudian mengungkapkan gambar tembus cahaya dari tetesan N-LC yang dicetak dan berpola. Desain ini juga membuka pintu untuk penyederhanaan perangkat lain. Karena spesies reaktif tidak lagi berpola, lapisan tunggal rakitan sendiri (SAM) reaktif selektif, [ 15 ] yang dapat dengan mudah dicangkokkan ke substrat kaca atau polimer, sekarang dapat digunakan sebagai lapisan penyelarasan homeotropik.
2.2 Kelayakan Pencetakan N-LC
Bahasa Indonesia: Untuk memastikan perangkat akhir dapat menahan kondisi dan lingkungan kerja yang diantisipasi, kami perlu memusatkan perhatian pada kondisi pencetakan optimal untuk pola N-LC. Untuk melakukannya, campuran N-LC komersial (MLC-2169, Merck) dicetak pada substrat kaca yang dilapisi dengan lapisan penyelarasan polimida homeotropik atau SiO x (Bagian S3 , Informasi Pendukung) dengan jarak tetes awal 100 µm (pusat-ke-pusat) dan volume tetes, baik 10 atau 2,4 pL ( Gambar 2a ). Lapisan penyelarasan SiO x memberikan kelembaman kimia tambahan pada perangkat ini. Lebih jauh, karena sudut pengendapan dapat disesuaikan, penahan N-LC dapat disetel untuk memungkinkan iterasi perangkat tambahan (misalnya, sekeliling yang tembus cahaya saat teks adalah area aktif). [ 16 ] Penyesuaian volume dan jarak tetes, yang selanjutnya dipengaruhi oleh pembasahan N-LC pada substrat cetak GNP berlapis dodecanethiol (DDT) yang diperlukan memungkinkan kami untuk menentukan bahwa jarak tetes 90 µm untuk N-LC yang dicetak dan volume tetes 2,4 pL menghasilkan kondisi pencetakan yang optimal (Gambar 2b ) di mana tetes N-LC tidak menyatu pada suhu yang tinggi (Bagian S4 dan Gambar S2 , Informasi Pendukung), mengingat bahwa perangkat akhir berpotensi terkena suhu yang lebih tinggi dalam skenario kebakaran. Pengujian berikutnya yang harus dilakukan adalah mencetak N-LC di atas lapisan cetak sebelumnya dari GNP berlapis DDT untuk memastikan bahwa tetes akan mengasumsikan penjangkaran homeotropik di kedua antarmuka, DDT-GNP pada satu substrat serta udara di yang lain (Gambar 2b ). N-LC dapat secara efektif dicetak pada multilapis GNP serta di atas GNP yang dicetak dengan tumpang tindih yang cukup untuk menghasilkan garis-garis GNP (Gambar 2c,d ; Bagian S5 dan Gambar S3 , S4 , Informasi Pendukung). Kemiringan pola N-LC yang dicetak tersebut juga memungkinkan kami untuk memvisualisasikan bahwa tetesan N-LC agak datar dan seperti panekuk saat mengalami dua substrat yang mengurung, DDT-GNP dan udara (Gambar 2e; untuk gambar SEM tambahan, Bagian S6 dan Gambar S5 , Informasi Pendukung). Akhirnya, kami juga menguji kekokohan substrat yang dicetak ini dengan memecahkannya di sepanjang bagian tengah cetakan atau menjatuhkannya pada permukaan yang keras dari ketinggian tertentu. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2f , bahkan pulau-pulau N-LC yang dicetak secara individual tidak hancur dan terus menempel pada substrat pada garis jepret.
Gambar 2
a) Gambar mikroskop medan terang dari tetesan N-LC (MLC-2169) yang dicetak inkjet pada lapisan penyelarasan polimida dengan jarak tetes ≈100 µm (pusat ke pusat), b) gambar mikroskop medan terang dari N-LC yang dicetak di atas lapisan DDT-GNP padat (jarak tetes = 90 µm pusat ke pusat), c) fotomikrograf optik terpolarisasi (polarisator silang) dari N-LC yang dicetak pada lapisan penyelarasan polimida yang digosok yang menyebabkan penjangkaran planar (bagian kanan atas gambar; kemungkinan mengarah ke konfigurasi tipe landak radial:, yaitu, cacat s = +1 yang keluar ke dimensi ketiga dengan kondisi batas homeotropik pada antarmuka N-LC/udara yang berlawanan) dan penjangkaran homeotropik pada kedua antarmuka pembatas ketika N-LC dicetak pada DDT-GNP (bagian kiri bawah gambar), d) gambar mikroskop medan terang dari N-LC yang dicetak pada garis DDT-GNP yang dihasilkan oleh tumpang tindih GNP yang dicetak dalam tetesan o -xylene (keduanya setelah pengeringan dengan jarak tetesan = 90 µm, dari pusat ke pusat), e) mikrofotografi yang diambil dengan memiringkan substrat akhir dengan N-LC yang dicetak pada DDT-GNP. Bagian yang diperbesar (sisipan) dengan jelas menunjukkan bahwa tetesan N-LC berbentuk datar, seperti panekuk atau koin (render 3-D dalam sisipan), dan f) mikrofotografi yang diambil dari substrat yang dicetak setelah dibelah menjadi dua, yang menunjukkan bahwa tetesan N-LC individual maupun polanya sendiri tetap utuh setelah benturan mekanis.
2.3 Sensor Gas Cl2 : Pengujian dan Penyempurnaan Sensor
Percobaan dimulai dengan menguji prototipe berdasarkan desain perangkat baru menggunakan kimia GNP berlapis alkiltiol yang sudah mapan untuk mendeteksi gas Cl2 . Perangkat dibangun, seperti yang diuraikan lebih rinci di Bagian Eksperimen, dengan mencetak DDT-GNP yang baru disintesis (atau disimpan dengan benar) (untuk rincian sintesis dan karakterisasi lengkap, lihat Informasi Pendukung) dalam o -xylene [ 11 ] sebagai cairan pembawa di atas substrat kaca yang dilapisi dengan lapisan penyelarasan polimida yang mendukung penjangkaran homeotropik dan mendukung adhesi GNP atau SiOx yang diendapkan dengan penguapan termal pada berbagai sudut untuk menyesuaikan kondisi penjangkaran N-LC dan adhesi GNP. [ 16 ] N-LC kemudian dicetak di atas lapisan DDT-GNP, dan perangkat dirakit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b .
Pengaturan pengujian di Ohio Lumex, Inc. secara skematis ditunjukkan pada Gambar 3a (foto pengaturan ini pada Gambar 3b ). Dengan menggunakan gas Cl2 pra-kalibrasi yang tersedia secara komersial dan memanfaatkan pengontrol aliran massa (MFC), memungkinkan kami untuk menguji hampir semua konsentrasi gas Cl2 yang relevan . Seperti yang dinyatakan sebelumnya, desain perangkat baru dengan penyesuaian yang tepat dari lapisan bawah penyelarasan dan kondisi pencetakan kedua komponen memungkinkan banyak sekali desain gambar, bentuk geometris, atau teks yang muncul atau menghilang (misalnya, kata “AMAN”; Gambar 3c ). Contoh sensor yang diuji pada 50 ppm Cl2 mulai trip secara visual, sekarang hanya setelah 30 detik, dengan gambar tengkorak dan tulang bersilang yang sangat jelas terlihat setelah ≈90 detik (Gambar 3d ). Penyesuaian yang cermat dan peningkatan berkelanjutan dari parameter pencetakan sekarang memungkinkan kami untuk mendeteksi tingkat ppm gas Cl2 yang lebih rendah dalam hitungan detik (Gambar 3e,f ). Ini termasuk kadar gas Cl 2 hingga 10 ppm dan kurang, yang merupakan kadar paparan relevan yang ditetapkan oleh OSHA dan NIOSH (nilai yang langsung berbahaya bagi kehidupan dan kesehatan (IDLH) adalah 10 ppm untuk Cl 2 ). Khususnya, seperti yang dapat dilihat dalam cuplikan dari video yang diambil, transisi penjangkaran sekarang terjadi hampir di mana-mana pada perangkat pada saat yang sama dan tidak, seperti sebelumnya, secara bertahap dari luar ke arah tengah perangkat.
Gambar 3
a) Diagram alir dari tatanan eksperimen untuk pengujian gas Cl2 , b) foto tatanan yang menunjukkan dua pengendali aliran massa (MFC) pada penghitung lemari asam (gambar kiri) serta mikroskop digital dan ruang pengujian (gambar kanan), c) foto beberapa contoh desain pola yang memungkinkan, d) cuplikan video uji prototipe dengan gas Cl2 50 ppm (cap waktu dari kiri ke kanan: 0, 30, 70, 90, dan 94 detik saat tidak ada perubahan lebih lanjut yang diamati), e) respons sensor yang dibuat dengan DDT-GNP pada polimida homeotropik menggunakan MLC-2169 setelah paparan gas Cl2 10 ppm , dan f) fotomikrograf tetesan N-LC berpola tanpa (gambar kiri) dan dengan polarisator silang (gambar kanan) sebelum paparan.
Gambar 4
Pengujian prototipe perangkat dengan pola N-LC persegi panjang cetak sederhana diuji pada konsentrasi gas Cl2 yang semakin rendah serta menggunakan dua N-LC yang berbeda: a) dengan cetak MLC-2169 dan b) cetak 5CB (skala batang untuk semua gambar = 1 cm).
Khususnya, konsentrasi tinggi akut gas Cl2 ( ≈1000 ppm) sekarang menghasilkan waktu respons 10 detik atau kurang: bahkan hanya 1 detik saat menggunakan 5CB (4-siano-4′-pentilbifenil; N-LC suhu ruangan; untuk detail lebih lanjut, lihat Bagian Eksperimen). Pada konsentrasi OSHA/NIOSH yang sangat relevan sebesar 30 ppm (yang jika tidak akan menyebabkan nyeri dada substernal langsung, sesak napas, dan batuk) waktu respons sekarang menjadi 20 detik atau bahkan hanya 6 detik (Gambar 4b ). Kami mengaitkan waktu respons yang lebih cepat dari sensor yang menggunakan 5CB cetak dengan viskositas yang lebih rendah, η, dari 5CB pada suhu ruangan, yaitu, suhu pengujian T ≈ 22° (η MLC-2169 = 42 mPa∙s versus η 5CB = 28 mPa∙s; Bagian S7 dan Gambar S6 , Informasi Pendukung). Dengan demikian, mengingat sensitivitas dan waktu respons yang dicapai, anggota responden pertama, petugas pemadam kebakaran dan tim HAZMAT atau siapa pun yang terpapar gas Cl 2 akan tahu dengan cepat dan mudah untuk mengungsi atau apakah aman untuk melepaskan perlengkapan keselamatan seperti alat bantu pernapasan mandiri (SCBA).
Melakukan pengujian yang bergantung pada konsentrasi ini pada rentang konsentrasi yang lebih luas memungkinkan kami untuk mengetahui hubungan antara tingkat paparan gas Cl 2 dan waktu trip (atau respons) sensor yang mudah dirasakan ( Gambar 5 ). Dengan mengesampingkan unsur manusia dalam mengenali kemunculan pola transisi penahan (awal perubahan yang terlihat jelas dalam transmisi cahaya serta perubahan penuh dalam transmisi cahaya), kami menggunakan ImageJ. [ 17 ] dan mengkarakterisasi perubahan dalam transmisi cahaya menggunakan perubahan skala abu-abu dalam snapshot yang diambil dari video pengujian perangkat, yang sesuai dengan 50% (awal) dan 90% (perubahan lengkap) dari perubahan kecerahan yang dirasakan. [ 18 ]
Gambar 5
Plot waktu respon sensor rata-rata [s] versus konsentrasi gas Cl 2 [ppm] untuk perangkat prototipe menggunakan MLC-2169 yang diuji menggunakan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 3a,b ; set data merah: permulaan perubahan yang dikenali dalam transmisi cahaya; set data biru: perubahan lengkap dalam transmisi cahaya (tidak ada perubahan lebih lanjut yang terlihat); ukuran sampel: n = 8,persamaan matematika= 0,94, danpersamaan matematika= 0,85. Data diperoleh dengan menganalisis perubahan transmisi cahaya menggunakan perubahan gambar skala abu-abu di area perangkat aktif dari cuplikan video menggunakan ImageJ; OSHA: IDHL = sangat berbahaya bagi kehidupan dan kesehatan; Komite Perencanaan Tanggap Darurat Asosiasi Higiene Industri Amerika: ERPG 3 = pedoman perencanaan tanggap darurat – konsentrasi udara maksimum yang di bawahnya diyakini hampir semua orang dapat terpapar hingga satu jam tanpa mengalami atau mengembangkan efek kesehatan yang mengancam jiwa.
Plot waktu respon sensor versus konsentrasi gas Cl2 kemudian menunjukkan bahwa desain sensor saat ini cocok pada tingkat paparan yang sangat relevan dengan waktu respon (yakni, perubahan nyata dalam transmisi cahaya) hanya puluhan detik atau kurang dari 2 menit.
2.4 Pengujian Interferensi: Asap dan Perendaman dalam Air
Mengingat bahwa perangkat ini dimaksudkan untuk digunakan oleh personel tanggap darurat (misalnya, pemadam kebakaran), rangkaian pengujian berikutnya diarahkan untuk menilai bagaimana prototipe ini akan berperilaku dalam skenario dunia nyata. Pertama, kami memaparkan perangkat ke air, dengan mengambil skenario terburuk yaitu menenggelamkan perangkat di bawah air ( Gambar 6 ). Untuk melakukannya, perangkat yang telah tersandung setelah terpapar gas Cl2 tingkat ppm rendah direndam ( Gambar 6a ). Seperti yang diharapkan, dan diharapkan, penjangkaran hibrida keseluruhan akhir setelah terpapar Cl2 tidak terganggu karena antarmuka atas ke udara, yang sekarang terpapar air, beralih dari penjangkaran homeotropik ke planar saat air menggantikan udara, [ 19 ], misalnya, setelah tersandung, hasilnya tidak akan terpengaruh meskipun perangkat terendam sepenuhnya. Namun, perangkat yang tidak tersandung sebelum terpapar gas Cl2 dan melalui transisi penjangkaran antarmuka atas yang sama persis akan tampak sebagai positif palsu (yaitu, perangkat tampak tersandung hanya dengan terpapar air). Lebih baik lagi, setelah mengeringkan perangkat di udara, penjangkaran homeotropik asli dipulihkan [ 20 ] dan perangkat siap untuk diindera. Untuk menghilangkan masalah ini, wadah pembawa akhir untuk perangkat (vide infra) atau bahkan hanya tepinya dapat diperlakukan dengan pelapis hidrofobik atau bahkan omnifobik [ 21 ] untuk sepenuhnya mencegah segala jenis penetrasi air atau cairan ke area aktif.
Gambar 6
Uji perendaman air terhadap perangkat prototipe: a) setelah terpapar gas Cl2 ( sensor aktif) dan b) sebelum terpapar gas Cl2 ( sensor tidak aktif).
Jika, seperti yang dibayangkan, sensor ini digunakan dalam situasi kebakaran, mereka juga harus tahan terhadap kondisi yang keras seperti paparan asap. Untuk meniru situasi kebakaran hutan, misalnya, prototipe secara bersamaan terpapar gas beracun serta asap, yang dihasilkan in situ dengan membakar serpihan kayu. Pengaturan umum dan fotonya disediakan dalam Gambar 7a,b . Terpapar gas Cl 2 50 ppm diikuti oleh dua semburan asap tebal yang terputus-putus, kinerja perangkat praktis tidak berubah oleh asap, trip dalam waktu kurang dari 20 detik (Gambar 7c ). Karena asap menghasilkan NP karbon, seperti yang diisolasi dari asap yang dihasilkan (lihat titik karbon luminescent yang diisolasi dari asap pada Gambar 7d ), nanopartikel ini [ 22 ] tampaknya tidak mengganggu fungsi perangkat sebagaimana dimaksud.
Gambar 7
a) Diagram alir tatanan percobaan untuk pengujian gas Cl2 di bawah pengaruh tambahan asap pekat yang dihasilkan di situ, b) foto tatanan yang menunjukkan pembentukan asap (kiri) dan ruang pengujian yang dipenuhi asap (kanan), c) foto cuplikan video uji prototipe dengan gas Cl2 50 ppm dan dua semburan asap pekat tambahan yang terlihat pada gambar 3 dan 5 dari kiri (skala batang = 1 cm), dan d) foto titik karbon berpendar yang diisolasi dari asap yang dihasilkan oleh pembakaran serpihan kayu (terpapar sinar UV pada λ ex = 365 nm).
2.5 Sensor Gas COCl2 : Pengujian dan Penyempurnaan Sensor
Seperti yang diuraikan dalam pendahuluan, pendekatan kami bertumpu pada pembuatan platform sensor yang pada akhirnya mampu mendeteksi beberapa gas beracun secara bersamaan. Sementara beberapa kasus penggunaan mungkin khusus untuk hanya satu gas, misalnya, gas Cl 2 di pabrik pengolahan air, yang lain akan memerlukan deteksi campuran gas beracun. Untuk menyoroti contoh tambahan, kami di sini menunjukkan prototipe baru untuk mendeteksi COCl 2 . Seperti gas Cl 2 , COCl 2 adalah agen tersedak yang membahayakan individu yang tidak terlindungi terutama di saluran pernapasan, yaitu, di hidung, tenggorokan, dan khususnya, paru-paru. Kematian dapat terjadi akibat asfiksia jika membran membengkak. COCl 2 menghancurkan jaringan paru-paru melalui serangkaian kejadian yang rumit. Sebagai racun berbahaya (dosis toksik: ≥ 30 ppm min −1 ), COCl 2 sangat berbahaya karena fase laten asimtomatik yang tidak dapat diprediksi yang mendahului timbulnya edema paru yang mengancam jiwa. [ 23 ] Gas tersebut menimbulkan risiko yang signifikan bagi petugas pemadam kebakaran di sekitar kebakaran yang melibatkannya sebagai produk pembakaran Freon (seringkali campuran klorofluorokarbon atau CFC dan hidrofluorokarbon) [ 24 ] peralatan pendingin atau kebocoran, dalam kebakaran bensin, atau saat memadamkan api menggunakan halon atau halotron berbasis klorin, yang merupakan agen aliran cairan atau gas yang digunakan untuk mencegah penyebaran api. Oleh karena itu, petugas pemadam kebakaran adalah kelompok dengan faktor risiko yang sangat tinggi.
Bahasa Indonesia: Untuk membuat sensor COCl2 yang lebih efektif dan berdaya nol sambil lebih menyederhanakan proses dan membuat produksi akhirnya lebih ekonomis, kami memodifikasi substrat kaca dengan memfungsikannya dengan lapisan tunggal rakitan mandiri (SAM) berbasis siloksana. [ 15 , 25 ] Kaca slide berlapis (3-aminopropil) trialkilsilana (APT E S atau APT M S; etil atau metil) terpilih tersedia secara komersial atau dapat dibuat dengan mudah di laboratorium (seperti dijelaskan dalam Bagian S8 dan Gambar S7 , Informasi Pendukung). Mendoping N-LC yang inert secara kimia dengan asam karboksilat mesogenik seperti 6BA (asam 4-heksilbenzoat) secara in situ menghasilkan penjangkaran homeotropik melalui kombinasi ikatan hidrogen dan interaksi ionik, yang kemudian diganggu oleh reaksi gugus amina dengan COCl2 . 6BA kemudian berdifusi kembali ke dalam N-LC seperti disulfida yang dihasilkan oleh pembelahan DDT dari permukaan GNP setelah reaksi dengan gas Cl2 ( Gambar 8a ) . Prototipe perangkat yang sedang beraksi ditunjukkan pada Gambar 8b . Pada konsentrasi COCl2 sebesar 7,5 ppm, sensor ini mulai aktif setelah hanya 20 detik, dengan perubahan penuh dalam transmisi cahaya setelah 150 detik. Optimalisasi lebih lanjut dari prototipe (volume tetesan yang lebih rendah, konsentrasi 6BA, dll.), memungkinkan kami untuk mendeteksi bahkan tingkat sub-ppm COCl2 ( turun ke 0,1 ppm; lebih rendah dari sebagian besar batas peraturan yang tercantum dan lebih rendah dari batas Segera Berbahaya bagi Kehidupan atau Kesehatan (IDLH) NIOSH yang ditetapkan pada 2 ppm yang sekarang kami deteksi dalam waktu kurang dari 2 menit (Gambar 8c,d ).
Gambar 8
a) Prinsip deteksi COCl2 menggunakan lapisan penyelarasan yang dimodifikasi silana pada substrat kaca melalui penambahan 6BA ke N-LC, b) foto yang diambil selama deteksi 7,5 ppm COCl2 ( atas) dan foto mikro (polarisator 10° decrossed) sebelum dan setelah paparan COCl2 bersama dengan skema yang menunjukkan penjangkaran lokal N-LC sebelum dan setelah paparan COCl2 , c) foto yang diambil selama deteksi 660 ppb COCl2 (diberi cap waktu), dan d) selama deteksi 300 ppb COCl2 .
Plot waktu respons prototipe sensor versus konsentrasi COCl 2 ( Gambar 9 ) kemudian menunjukkan hal yang sama, dan seperti yang diharapkan untuk proses yang dikendalikan oleh difusivitas, peluruhan eksponensial sudah terlihat untuk sensor Cl 2 . Grafik tersebut selanjutnya menyoroti tingkat yang relevan yang ditetapkan oleh OSHA dan NIOSH, dan dengan demikian, menunjukkan bahwa prototipe baru beroperasi pada waktu respons dan tingkat sensitivitas yang diinginkan. Tingkat COCl 2 jauh di bawah ERPG 3 (lihat keterangan, Gambar 9 ) atau batas mematikan 30 menit sekarang dapat dideteksi hanya dalam beberapa detik.
Gambar 9
Plot waktu respon sensor rata-rata [s] versus konsentrasi gas COCl 2 [ppm] untuk perangkat prototipe menggunakan MLC-2169 + 3wt% 6BA yang diuji menggunakan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 3a,b ; permulaan perubahan yang dikenali dalam transmisi cahaya dapat dilihat dengan jelas (ukuran sampel: n = 8,persamaan matematika= 0,91); NIOSH: IDHL = sangat berbahaya bagi kehidupan dan kesehatan; Komite Perencanaan Tanggap Darurat Asosiasi Higiene Industri Amerika: ERPG 3 = pedoman perencanaan tanggap darurat – konsentrasi udara maksimum yang di bawahnya diyakini hampir semua individu dapat terpapar hingga satu jam tanpa mengalami atau mengembangkan efek kesehatan yang mengancam jiwa; EEGL = tingkat panduan paparan darurat.
3 Diskusi
Bahasa Indonesia: Sementara keuntungan dari desain platform sensor baru kami berkenaan dengan waktu respons dan sensitivitas menggembirakan, aspek kunci lainnya adalah bagaimana calon pengguna menilai operasi, faktor bentuk, integrasi dengan perlengkapan yang ada, dan potensi penempatan perangkat ini. Untuk melakukannya, kami bekerja dengan petugas pemadam kebakaran dari Departemen Pemadam Kebakaran Bolivar (Bolivar, Ohio) serta Departemen Pemadam Kebakaran Ravenna (Ravenna, Ohio) yang melakukan beberapa uji pelatihan di Fasilitas Pelatihan Regional Wayne County (Ohio). Perangkat prototipe sensor kami yang berbeda dalam desain, dikemas dalam casing cetak 3-D khusus, ditempelkan dengan carabiner ke berbagai titik pada perlengkapan keluar mereka atau pada helm ( Gambar 10a–c ). Setelah mengenakan perangkat selama latihan mereka, petugas pemadam kebakaran diminta untuk mengomentari kegunaan, faktor bentuk, ukuran, dan visibilitas serta memberikan umpan balik yang akan mendidik perbaikan prototipe lebih lanjut (Gambar 10d–f ). Salah satu pelajaran utama yang dipelajari di sini adalah bahwa penempatan perangkat semacam itu yang lebih tahan lama akan diinginkan dan bahwa sensor stasioner untuk stasiun pemadam kebakaran atau mobil pemadam kebakaran akan sangat menguntungkan bagi petugas pemadam kebakaran.
Gambar 10
a) Petugas pemadam kebakaran dari Departemen Pemadam Kebakaran Bolivar dan Ravenna (Bolivar dan Ravenna, Ohio) dilengkapi dengan prototipe sensor saat melakukan pelatihan di Fasilitas Pelatihan Regional Wayne County, b) pemasangan karabiner untuk helm dan perlengkapan pengamanan, dan c) jenis desain sensor yang diberikan kepada petugas pemadam kebakaran. Tanggapan petugas pemadam kebakaran yang dikumpulkan setelah pelatihan mengenai d) kegunaan perangkat secara keseluruhan, e) faktor bentuk dan visibilitas gambar, dan f) kemungkinan perbaikan prototipe lebih lanjut (yang diperlukan).
Mengingat apa yang telah dipelajari tentang generasi berikutnya dari sensor gas beracun tanpa daya berbasis LC ini, beberapa peningkatan dalam sensitivitas, kecepatan respons, dan pengemasan sudah berjalan untuk tahap pengembangan berikutnya. Kami telah mempelajari, misalnya, bahwa sensor COCl2 jauh lebih cepat daripada sensor gas Cl2 . Kedua prototipe sensor bergantung pada difusivitas gas melalui tetesan N-LC dan pada pembubaran spesies molekuler yang dilepaskan kembali ke N-LC. Perbedaan utamanya adalah bahwa reaksi gas Cl2 dengan DDT-GNP terjadi pada antarmuka NP-ligan dan bukan pada pinggiran ligan seperti dalam kasus slide kaca berlapis APTMS dalam kasus sensor COCl2 . Dengan demikian, fokus kami saat ini untuk beberapa gas dan uap beracun lainnya adalah pada pinggiran spesifik yang paling dekat dengan N-LC. Bahasa Indonesia: Peningkatan lebih lanjut pada waktu respons dan sensitivitas gas Cl 2 tetapi juga untuk jenis gas/uap lainnya saat ini bergantung pada ligan tipe promesogenik (pro-N-LC) pada antarmuka GNP, kaca, atau bahkan polimer yang akan lebih cepat larut kembali ke dalam N-LC setelah pelepasan selama reaksi kimia dengan gas atau uap beracun. Untuk mengatasi masalah infiltrasi air, kami sudah berencana untuk melapisi perangkat dan/atau casing dengan bahan superomniphobic [ 26 ] untuk mencegah infiltrasi air. Selain itu, sensor yang lebih besar untuk penempatan stasioner serta solusi yang lebih baik untuk memasang perangkat ke perlengkapan turnout saat ini sedang dikerjakan. Peluang lebih lanjut untuk meningkatkan kegunaan sensor kami dalam situasi pemadaman kebakaran adalah penggunaan campuran N-LC yang inert secara kimia dengan titik pembersihan yang jauh lebih tinggi untuk menghasilkan ketahanan suhu yang lebih tinggi yang diperlukan. Meskipun kami telah menguji platform sensor kami sebelumnya dan semua komponen yang sama hingga sekitar T = 110 °C, [ 4 ] perlengkapan pemadam kebakaran yang paling umum digunakan memiliki batas paparan termal sekitar T ≈ 260 °C. [ 27 ] Campuran N-LC yang tersedia secara komersial dengan titik pembersihan di atas suhu ini tersedia dan akan diuji pada suhu yang sangat tinggi, tetapi akan memerlukan perubahan signifikan pada seluruh pengaturan pengujian.
4 Kesimpulan
Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk sepenuhnya merekayasa ulang desain sensor gas dan uap beracun berbasis kristal cair berdaya nol yang kami ungkapkan sebelumnya, terutama mengingat keterbatasan sebelumnya berkenaan dengan waktu respons. Meskipun ideal untuk perangkat sensor dosis x waktu, penggunaan desain sebelumnya untuk paparan langsung terhambat oleh difusi lambat gas beracun target melalui sublapisan N-LC untuk mencapai pola GNP reaktif yang memicu transisi penjangkaran dan menghasilkan gambar, pola, atau teks berikutnya.
Desain saat ini, dijelaskan di sini, secara drastis meminimalkan masalah ini dengan menyediakan akses langsung untuk gas atau uap beracun ke tetesan N-LC cetak inkjet yang dicetak (berpola) di atas spesies reaktif, baik GNP fungsionalisasi permukaan atau lapisan tunggal silana. Yang dulunya mm 2 N-LC yang dibutuhkan gas untuk berdifusi kini hanya ≈500 nm. Hal ini, pada gilirannya, mengarah ke waktu respons sensor hanya beberapa detik untuk konsentrasi dalam kisaran ppm yang lebih tinggi (>5 ppm untuk COCl 2 dan >30 ppm untuk Cl 2 ) atau beberapa menit untuk kisaran ppm yang lebih rendah dan bahkan ppb. Waktu respons berkurang secara eksponensial dengan meningkatnya konsentrasi gas dan dapat disetel lebih lanjut (dikurangi) oleh berbagai parameter manufaktur perangkat.
Percobaan interferensi dan pengujian lapangan selanjutnya mengungkapkan kesesuaian perangkat ini untuk aplikasi dunia nyata dan di lingkungan yang keras seperti suhu tinggi, kelembapan tinggi, dan asap.
Akhirnya, desain perangkat baru, yang didasarkan pada kemungkinan kombinasi antarmuka reaktif dan N-LC terdoping, terus menjanjikan fleksibilitas tinggi untuk berbagai gas dan uap beracun lainnya, yang beberapa di antaranya telah diteliti di laboratorium kami. Konsep perangkat baru ini juga tetap sangat murah untuk diproduksi, sangat cocok untuk penginderaan multi-gas pada perangkat yang sama, dan sesuai untuk penginderaan jarak jauh melalui kemungkinan kombinasi dengan sumber cahaya dan fotodetektor (misalnya, pada pesawat nirawak atau dipasang pada kendaraan robotik).
5 Bagian Eksperimen
Bahan
Tetraoctylammonium bromide (TOAB), n -dodecanethiol, hidrogen tetrachloroaurate, dan natrium borohydride dibeli dari Sigma-Aldrich. Semua pelarut yang digunakan bermutu HPLC dan dikeringkan menggunakan prosedur standar. Semua peralatan gelas untuk sintesis dibersihkan dengan aqua regia. Air deionisasi (18,0 MΩ cm, sistem air ultramurni Barnstead E-pure) digunakan selama semua langkah sintesis. Campuran kristal cair nematik MLC-2169 (transisi fase: −60 N 110 Iso, [°C]) disediakan oleh Merck KGaA; 5CB (transisi fase: Cr 25 N 35 Iso [°C]) dan asam 4-heksilbenzoat (6BA; transisi fase: Cr 96 N 113 Iso [°C]) masing-masing dibeli dari Sigma Aldrich dan Thermo Fisher Scientific. Film polarisasi multilapis yang berperekat NPF (NPF*1) dibeli dari Nitto Denko Corp. Gas klorin dan fosgen yang dikalibrasi dan diseimbangkan dengan nitrogen pada berbagai tingkat ppm diperoleh dari MESA Specialty Gases & Equipment.
Karakterisasi Material
Spektrum 1H NMR diperoleh dalam CDCl3 pada suhu kamar pada spektrometer Bruker DMX 400 MHz dan direferensikan secara internal ke puncak pelarut residu pada 7,26 ( 1H ). Spektrum serapan cahaya tampak dari NP dalam kloroform direkam menggunakan Thermo Scientific Evolution 220 atau spektrofotometer OLIS 14 UV/Vis/NIR. Analisis mikroskop elektron transmisi (TEM) terhadap ukuran dan bentuk GNP dilakukan menggunakan TEM FEI Tecnai TF20 pada tegangan percepatan 200 kV. Sampel disiapkan dengan menguapkan setetes larutan kloroform-nanopartikel encer ke kisi TEM tembaga berlapis karbon 400 mesh dan dikeringkan. Analisis mikroskop elektron pemindaian (SEM) dilakukan menggunakan SEM Quanta 450 FEG dengan atau tanpa pengendapan logam sebelumnya. Analisis TGA dilakukan menggunakan TGA TA Instruments Q500. Antara 5–10 mg NP kering ditempatkan pada panci pemberat platinum yang bersih dan dipanaskan dari 25–500 °C pada kecepatan peningkatan 10 °C min −1 . Viskositas material diukur menggunakan viskometer Anton Paar ViscoQC 300-L. Pengukuran sudut kontak dilakukan menggunakan goniometer Rame-Hart 250 pada suhu 20 °C. Layanan sensor yang dirakit diamati menggunakan mikroskop optik cahaya terpolarisasi Olympus BX-53 dan foto direkam dengan kamera CMOS QImaging GO-3.
Pencetakan
Tinta nanopartikel disiapkan dengan mendispersikan nanopartikel kering dalam o -xylene untuk menghasilkan konsentrasi 45 mg mL −1 . [11a] Dispersi disaring melalui filter PTFE 0,2 µm sebelum disuntikkan ke dalam kartrid ink-jet Dimatix sesuai petunjuk pabrik. Printer ink-jet material desktop oleh Fujifilm Dimatix DMP-2800 dan kartrid yang kompatibel DMCLCP-11610 dan Fujifilm Dimatix Samba. Bentuk gelombang yang dibutuhkan untuk kartrid DMCLCP-11610 16-jet berbeda dari kartrid Samba 12-jet. DMCLCP-11610 16-jet menyemprotkan 10 pL cairan dan dioptimalkan untuk cairan dengan sifat yang mencakup viskositas 10–12 cP dan tegangan permukaan 28–30 dyne cm −1 . Jet Samba 12-jet memiliki 2,4 pL fluida dan dioptimalkan untuk fluida dengan sifat-sifat yang mencakup viskositas 4–8 cps dan tegangan permukaan 28–32 dyne cm −1 . Tinta DDT-GNP pada 45 mg mL −1 memiliki viskositas dinamis 10 cP dan disemprotkan pada voltase percepatan terendah tanpa pembentukan tetesan satelit sebesar 20–25 V per bentuk gelombang yang dirinci dalam Gambar S3 (Informasi Pendukung). N-LC MLC-2169 atau 5CB didegaskan dan disuntikkan ke dalam kartrid Samba 12-jet sesuai petunjuk pabrik. Viskositas N-LC optimal untuk kartrid Samba pada 65 °C, 10,3 cP, dan disemprotkan tanpa pembentukan tetesan satelit pada voltase percepatan 25–30 V per bentuk gelombang dalam Gambar S4 (Informasi Pendukung). Pembersihan nosel kartrid yang tersumbat dilakukan melalui program pembersihan printer Spit, Blog, dan Purge atau secara manual dengan mengeringkan nosel terhadap tisu ruang bersih bebas serat yang dibasahi dengan pelarut tinta.
Gambar motif atau desain sensor yang diinginkan dibuat sebagai berkas bitmap berwarna biner dan diproduksi menjadi pola inkjet melalui pemrograman Dimatix, yang mengubah setiap piksel pola untuk mewakili setetes cairan cetak. Tinta nanopartikel dicetak ke kaca yang diberi lapisan penyelarasan yang diendapkan dari polimida atau SiO x . Pelat kemudian dikeringkan pada suhu 45 °C dalam vakum selama lebih dari 24 jam untuk menghilangkan pelarut tinta. Setelah kering, pelat diletakkan kembali pada printer dan proses pencetakan yang sama dilakukan dengan N-LC seperti yang dijelaskan di atas.
Perakitan Perangkat
Perekat peka UV Norland 68 (NO68 digunakan untuk memperbaiki spacer antara kaca sensor dan penutup kaca pelindung di atas area sensor untuk mempertahankan struktur dan pola LC. Spacer silika berukuran 5, 10, atau 20 µm dicampur dengan NO68 pada 5 wt.% untuk menghasilkan celah kecil, atau shim plastik Travers Tool Co. berkode warna direkatkan menggunakan NO68 untuk celah yang lebih besar, 101,6–762 µm. Perekat diawetkan selama lebih dari 8 menit dengan unit pengawetan UV Electro-Lite ELC4000 sementara sel ditempatkan di bawah penutup plastik dan vakum ringan. Sel yang telah dirakit disegel dalam casing plastik setelah penyegelan vakum untuk menjaga integritasnya.
Pengujian Gas Beracun
Pengujian prototipe sensor dalam keberadaan gas beracun dilakukan dengan menggunakan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 3a,b . Ruang pengujian kaca tertutup dengan dua saluran keluar diatur di antara polarisator silang dan penganalisis. Mikroskop perekam TOMLOV DM602 digunakan untuk merekam video sensor selama pengujian, yang diterangi oleh lampu latar. Dua pengontrol aliran massa digital (MFC) Azbil Corporation, MPC0005BBRN010000, digunakan untuk mengatur aliran (L min −1 ) udara terkompresi yang melewati filter karbon Omnipure CL6ROT33-B dan gas terkalibrasi terkompresi yang diseimbangkan dengan nitrogen, MESA Specialty Gases & Equipment, masing-masing berlabel MFC2 dan MFC1. Sambungan-T menghubungkan kedua saluran keluaran MFC, mengencerkan gas klorin terkalibrasi ke konsentrasi ppm yang diinginkan. Total aliran gas dipertahankan pada 3 L min −1 antara MFC1 dan MFC2 gabungan.
persamaan matematika
(1)
Dengan menggunakan Persamaan ( 1 ) untuk mengatur laju aliran MFC R dari udara dan gas terkalibrasi, berbagai konsentrasi gas, gas C , dapat dihasilkan dari konsentrasi klorin awal C o . Gas beracun yang diencerkan diarahkan melalui sistem penetral yang terdiri dari karbon aktif setelah saluran ventilasi dan soda serta karbon aktif setelah ruang pengujian sebelum dikeluarkan. Sakelar memungkinkan pengalihan gas beracun langsung ke sistem penetral atau ke ruang pengujian. Setelah saluran ke gas beracun terkompresi terbuka, kedua MFC dibiarkan stabil sebelum mengalihkan gas yang diencerkan ke dalam ruang pengujian. Ini memastikan bahwa ppm gas beracun yang diinginkan ada segera setelah saluran ke ruang pengujian dibuka. Ruang pengujian berisi volume 0,56 L yang diasumsikan diisi dengan dispersi seragam dari ppm gas beracun yang dipilih pada t = 11 d setelah mengalihkan gas ke ruang. Setelah penginderaan, saluran gas beracun terkompresi ditutup, dan udara dibiarkan mengeluarkan gas beracun dari ruangan selama minimal 1 menit sebelum ruangan dianggap aman untuk dibuka.
Pengujian Gangguan Asap
Pengujian reaksi sensor di hadapan gas Cl 2 dengan gangguan asap dilakukan dengan sistem seperti yang terlihat pada Gambar 7a,b . Ruang pengujian kaca tertutup dengan tiga saluran keluar diatur di antara polarisator silang dan penganalisis. Mikroskop perekam TOMLOV DM602 digunakan untuk merekam video sensor selama pengujian, diterangi oleh lampu latar. Dua Pengontrol Aliran Massa Digital (MFC) Azbil Corporation, MPC0005BBRN010000, digunakan untuk mengatur aliran (L min −1 ) udara terkompresi yang melewati filter karbon Omnipure CL6ROT33-B dan gas klorin 1015 ppm terkalibrasi yang diseimbangkan dengan nitrogen, MESA Specialty Gases & Equipment. Sambungan Y melewatkan pengencer udara melalui tabung kuarsa yang menampung wol kaca yang tidak mudah terbakar dengan pelet pengasapan yang tersedia secara komersial. Panas diterapkan ke tabung kuarsa untuk menghasilkan asap dari pelet pengasapan. Titik jepit digunakan untuk mengendalikan jumlah udara yang disuplai ke pelet yang terbakar serta mengendalikan jumlah penambahan asap secara kualitatif. Gabungan sambungan Y dan T memungkinkan pengenceran konsentrasi awal gas Cl2 yang dikalibrasi dengan udara atau udara dan asap untuk mencapai konsentrasi gas yang diinginkan. Aliran total dipertahankan pada 3 L min −1 antara gabungan MFC1 dan MFC2.
Evaluasi Video Kontras Cahaya
Evaluasi perubahan transmisi cahaya berdasarkan video mikroskop yang diambil dari sensor selama pengujian dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ImageJ. Bingkai video diproses oleh program menjadi tumpukan dan diubah menjadi gambar skala abu-abu hitam/putih. Area pola sensor dipilih, dan analisis rata-rata nilai abu-abu relatif piksel dalam area yang dipilih dilakukan pada semua bingkai tumpukan. Karena video direkam pada kecepatan bingkai 60 fps, nilai abu-abu yang dinormalkan dapat diplot terhadap waktu sejak penambahan gas beracun. Waktu setelah memulai paparan gas di mana sensor menampilkan 25% dari perubahan transmisi cahaya maksimumnya dilambangkan sebagai waktu mulai yang dikenali. Setelah nilai abu-abu rata-rata yang dinormalkan mencapai 90% dari transmisi cahaya maksimum, ini direkam sebagai waktu perubahan lengkap (Bagian S9 dan Gambar S8 , Informasi Pendukung).
Analisis Statistik
Microsoft Excel digunakan untuk memplot data, menentukan garis tren, dan menghitung nilai R 2 untuk setiap set data. Analisis regresi daya digunakan untuk menentukan nilai R 2 . Semua set data mengikuti tren fungsi daya. Untuk menyederhanakan analisis data menjadi garis tren linier, data diubah menjadi nilai logaritmik (Bagian S10 dan Gambar S9 , Informasi Pendukung) untuk analisis data lebih lanjut . Skrip python khusus ditulis menggunakan NumPy, Matplotlib, dan Statsmodels untuk menentukan jarak Cook ( Di ) untuk memeriksa outlier dan titik data yang berpengaruh. Semua titik data ditemukan memiliki Di < 1 kecualipersamaan matematika= 1,18,persamaan matematika= 1,22,persamaan matematika= 1,07, danpersamaan matematika= 1,88. Setelah pemeriksaan lebih lanjut, semua outlier potensial berada di dekat batas pengujian konsentrasi. Mengingat peralatan pengujian, kadar ppm ini memiliki variasi paling besar dalam pencampuran antara udara dan gas beracun. Dengan demikian, pengukuran ini memiliki variasi paling besar dalam waktu bagi ruang untuk mencapai keseimbangan setelah pencampuran. Mengingat hal ini, dan nilai R 2 yang relatif tinggi , tidak ada titik data yang dihilangkan untuk data analisis.
Ucapan Terima Kasih
Pekerjaan ini didukung secara finansial oleh US National Science Foundation, NSF (PFI-RP-2122421 dan NSF I-Corps Program, UNY Winter 2022) dan Ohio Bureau of Workers’ Compensation (WSIC24-230331-034). Penulis selanjutnya mengucapkan terima kasih atas dukungan dari Ohio Research Scholar Program “Research Cluster on Surfaces in Advanced Materials” (TH), yang juga mendukung Materials Characterization & Imaging Facility di Advanced Materials and Liquid Crystal Institute (Kent State University), tempat data SEM dan TEM diperoleh. Terakhir, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Merck KGaA yang menyediakan N-LC, Stasiun Pemadam Kebakaran Bolivar dan Ravenna (Ohio), petugas pemadam kebakaran dan kepala pemadam kebakaran, atas kerja sama mereka selama pengujian lapangan, dan Wayne County (Ohio) Regional Training Facility yang mengizinkan kami melakukan dan hadir selama pengujian lapangan.
Konflik Kepentingan
Konflik kepentingan: EH dan TH mendirikan Torel LLC, sebuah perusahaan nirlaba yang mengomersialkan teknologi sensor berbasis kristal cair.
Kontribusi Penulis
RAW dan GARR memberikan kontribusi yang sama untuk pekerjaan ini. MEP, EH, dan TH menggagas ide keseluruhan dan mengarahkan penelitian dengan masukan dari DM dan AS, RW ide pencetakan N-LC. GARR, AG, GP, dan AO mensintesis dan mengkarakterisasi GNP, RW dan GP menyiapkan dan menganalisis substrat kaca yang dimodifikasi silana. GARR, RW, dan AO menyiapkan substrat berlapis polimida, dan RW dan GARR melakukan pencetakan dan karakterisasi pencetakan. RW, GARR, dan AO melakukan pengujian dengan DM dan AS merancang dan membangun pengaturan pengujian dan eksperimen di Ohio Lumex, Inc. GARR, RW, GP, AO, dan MEP membantu dengan pengujian lapangan. Semua penulis membantu menganalisis hasilnya. TH menulis manuskrip dengan kontribusi dari semua rekan penulis.
Tinggalkan Balasan