En lågkostnads dioxinsensor baserad på epitaxiell, högren enkristallgrafen på kiselkarbid

Resultat 

Dioxiner är en grupp extremt toxiska och svårnedbrytbara ämnen, vars analys i dagsläget är tidskrävande och dyr. De bildas vid ofullständig förbränning, till exempel i kraftvärmeverk. Idag finns över 200 anläggningar i Sverige som bränner hushållssopor för energiutvinning där sensorer skulle kunna användas för att övervaka och eliminera dioxinutsläpp i avfallsvatten från värmeverken för att optimera förbränningen och därmed verkningsgrad och lönsamhet. Dessutom finns behov av dioxinmätningar i ägg, fisk, kött med mera.  

Zr-metallorganiska ramverk (MOFs) användes som förkoncentratorer för dioxiner, och temperaturprogrammerad desorption (TPD) för selektivt urval av analyten av intresse (från sammansatta matriser) för transport till högkänsliga sensorer baserade på grafen. För att etablera TPD protokoll studerades desorption vs temperatur för tcdd (dioxinen med högst toxicitet) som låtits ackumulera i Zr-MOF under vattenflöde vid RT. Baserat på masspektrometri fastställdes mätprotokoll för förkoncentrering, förångning av vatten, temperaturramp för desorption och detektion av tcdd.  

Vi har utvecklat en sensorlösning med en uppskattad kostnad på cirka 200 SEK/ chip som medger bestämning av dioxinkoncentrationer inom 45 minuter. Jämfört med dagsläget, där bestämning av dioxiner kostar mellan 5000 och 15000 SEK per prov, kräver dyra instrument, och 3-5 dagars arbete utfört av specialisttränad labbpersonal, är detta oerhört lovande. En mer kostnads/resurs-effektiv bestämning av dioxiner väntas även leda till nya marknadsöppningar i och med att ekonomiska och praktiska hinder elimineras.  

Projektet visar grafens unika möjligheter att kunna användas i billiga, extremt känsliga sensorer för effektivare förbränning och energiutvinning. I vatten uppvisade den framtagna lösningen tydlig respons mot tcdd ner till 20 pg/g (den lägsta koncentration som testades). Då vi inte hann med att testa i komplexa matriser eller mäta okända prover med det utvecklade instrumentet nåddes inte målet att demonstrera selektiv detektion. När detta är på plats behöver vi samarbeta med slutanvändare för mätningar som verifierar funktionalitet i fält.  

Abstract in English

Low-cost on -site dioxin sensor in epitaxial graphene on SiC

Results

Dioxins are a group of extremely toxic and difficult to degrade substances that form during incomplete combustion, e.g., in combined heat and power (CHP) plants. Today’s methods for dioxin analysis are costly and time-consuming. There are more than 200 CHP plants in Sweden that burn household waste for energy production where sensors could be used to monitor and reduce dioxin emissions in the incinerator wastewater to optimize the combustion and, hence, the efficiency and profitability. There is also a need for dioxin analysis in various food stuffs and animal feed.

Zr-based metal-organic-frameworks were used as pre-concentrators for dioxins in water, and temperature programmed desorption (TPD) for selecting the analyte of interest (from a complex matrix) to be transported to ultra-sensitive graphene-based sensors. To establish the TPD protocol, we studied the desorption vs. temperature characteristics of tcdd (the dioxin with the highest toxicity) that had been accumulated in the Zr-MOF under water flow at RT. Based on mass spectrometry, a measurement protocol was established for pre-concentration, evaporation of water, and temperature ramping for desorption and detection of tcdd.

We have developed a sensor solution with a chip cost of circa 200 SEK that allows determination of dioxin concentrations within 45 minutes. Compared to today’s methods, with costs per sample between 5000 and 15000 SEK, need for expensive equipment and 3–5 days of work for skilled lab technicians, our solution seems very promising. Moreover, a more cost/resource-effective determination of dioxins is expected to result in new markets opening due to the elimination of economic and practical obstacles.

The project demonstrates graphene’s unique possibilities for use in cost-effective, extremely sensitive sensors for more efficient combustion and energy production. In water, our solution showed a clear response to tcdd down to 20 pg/g (the lowest concentration tested). As we did not have time to test the instrument on unknown samples the project missed to goal of demonstrating selective detection. When this is in place, we need to collaborate with end-users to verify in-field functionality.

Utlysning:
Samverkan kring kommersiella tillämpningar med grafen, 2021

Projektpartners: Linköpings universitet, Envic-Sense

Projektledare: Jens Eriksson, Linköpings universitet

Projektform: Genomförbarhetsstudie

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: Mars - augusti 2022

Relaterade projekt:
Sensor för snabbare, billigare, och enklare bestämning av dioxiner i miljön

Relaterade styrkeområden: