汪琰博士Build. Environ.: 用于低浓度挥发性有机化合物灵敏准确检测的泡沫镍基预浓缩器

2025年7月1日，《Building and Environment》杂志（中科院1区，IF: 7.6）刊登了课题组汪琰博士的最新成果：Nickel foam-based preconcentrator for sensitive and accurate detection of low-concentration volatile organic compounds. (https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.113070)

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

空气污染物，尤其是挥发性有机化合物（Volatile organic compounds，下文简称VOC），会对人类健康和环境造成不利影响。准确且高效的VOC检测技术在环境气体监测、非侵入性疾病诊断和即时医疗应用等多个领域具有广阔前景。现代气体监测系统越来越需要具备在超低浓度（通常在亚ppm到ppb范围内）检测多种气体的能力，然而现有检测技术面临低检测下限和低成本难以兼得的瓶颈。传统传感器对低浓度VOC响应微弱，而商用预浓缩器依赖高温解吸（通常>200°C），易导致样品分解风险和高能耗，微机电系统（MEMS）器件虽能实现微型化，但存在制备成本高、机械稳定性差等问题。开发兼具高灵敏度、低能耗和强稳定性的预浓缩技术，将成为推动室内空气质量实时监测的关键突破口。

针对上述问题，本研究提出一种创新策略：利用泡沫镍的多孔结构与焦耳热特性，结合Tenax TA吸附剂，开发原位加热式预浓缩器，实现污染物的低温高效脱附。以甲苯作为目标VOC，本研究通过测试不同的解吸温度、入口浓度和采样时间来评估这种新型预浓缩器的富集性能。与传统预浓缩装置相比，该泡沫镍基微型预浓缩器具有更高的检测灵敏度和更低的能耗，有望成为用于低浓度挥发性有机化合物检测的极具前景的解决方案。

【核心内容】

(1) 设计了泡沫镍-Tenax TA复合结构，实现高效吸附-脱附

本研究构建了一种基于泡沫镍焦耳加热效应的创新预浓缩结构。通过将预处理泡沫镍浸渍于羧甲基纤维素溶液，真空抽滤均匀沉积Tenax TA颗粒，使用1.1V直流电触发泡沫镍发热以蒸发溶剂实现吸附剂牢固结合，将Tenax TA吸附剂负载于三维多孔泡沫镍基底（图1a-b）。采用点焊工艺将三片Tenax TA负载泡沫镍片（16×8×1.5 mm³）空间堆叠，垂直集成于定制PTFE流道模块（图1c）。通过不锈钢密封腔体嵌套PTFE流道设计（图1d），实现耐腐蚀性与高气密性双重保障。

该设计的核心突破在于多级孔结构协同优化：泡沫镍的大孔骨架（孔径~1200μm）保障气体对流传输，负载的Tenax TA颗粒（粒径~200μm）形成丰富的介孔结构（2-50nm），使材料比表面积提升435%（图2c）。这种结构将传质阻力降至最低，同时焦耳加热能确保热量均匀分布，由导电基底内部自发且均匀地产生热量，其快速热响应（升温速率4°C/s）可将解吸时间缩短至1.2±0.1分钟，提升了系统的整体性能。

图 1. 预浓缩器的制备流程。（a）泡沫镍负载Tenax TA的制备流程。（b）负载吸附剂前后的泡沫镍的实物图。（c）用于放置泡沫镍片层的聚四氟乙烯预浓缩单元的组装图像。（d）预浓缩装置与不锈钢外壳的组装图。

图 2. 负载前后泡沫镍的表面形貌。（a）泡沫镍（NF）和2%羧甲基纤维素浓度（CMC）负载TA泡沫镍的SEM图像。（b）NF 和 TA-2%CMC@NF 中碳元素的EDS能谱分布图。（c）NF和TA-2%CMC@NF的孔径分布。

(2) 预浓缩器的多维度性能验证：解吸温度调控、多种工况适应性及长效运行稳定性研究

为了综合评价预浓缩器的性能，本研究以甲苯为目标VOC，根据脱附温度、初始样品浓度和吸附时间三个关键参数，在不同的工况下进行实验，并计算预浓缩器的性能指标，主要包括富集倍数（PF）、脱附时间（t_d）和吸脱附质量比（I_d/a）。

1. 解吸温度优化：在固定吸附条件（甲苯250 ppb、10 min、流量450 mL/min）下，对预浓缩模块施加0.9−1.3 V的不同电压，进行不同脱附温度下预浓缩器性能测试。实验表明1.25 V（87°C）为最优参数：此时富集系数（PF）达峰值13.8，解吸时间缩短至1.3 min（图3c-d）。当电压升至1.3 V，PF反降至13.3且解吸时间倍增（2.1 min），表明较高的脱附电压有助于增加富集倍数PF值，但存在最佳电压阈值（图3c）。

图 3. 不同脱附电压下的预浓缩性能。（a）不同电压下的温度曲线（气体流速 450 mL/min）；（b）0.9V脱附电压下的实验流程和浓度响应。其他电压下流程相同；（c）不同电压下的PF和t_d；（d）不同脱附电压下的浓度曲线（0.9-1.3 V）。

2. 宽浓度适应性：固定1.25 V解吸电压，本研究测试了150-1000 ppb甲苯入口浓度范围下，预浓缩性能与组分进口浓度的构效关系（图4a）。结果显示：低浓度（150 ppb）时PF最高（16.7），随浓度升高PF递减（1000 ppb时为6.8），归因于吸附位点饱和效应。通过对不同初始浓度条件下的吸附−脱附曲线进行积分，脱附峰面积与吸附曲线面积比I_d/a稳定维持在0.95-1.08（图4d），表明对于不同进口浓度，在1.25 V的脱附电压下，富集在吸附剂中的甲苯都能得到充分的脱附。

图4. 不同初始甲苯浓度的预浓缩性能。（a）不同入口浓度下的浓度变化曲线；（b）富集倍数（PF）；（c）解吸时间（t_d）和（d）I_d/a 比的比较。M_de 和 M_ad 参数分别代表解吸和吸附的甲苯质量。图（b）、（c）和（d）共用同一x轴，从左至右分别代表 150、200、250、500 和 1000 ppb 的入口浓度条件。

3. 吸附时间调控：通过改变吸附时间，测量了不同吸附时长对预浓缩性能的影响。在控制脱附电压（1.25 V）、载气流速（450 mL/min）及甲苯初始浓度（200 ppb）恒定的条件下，实验设置了5、10、15分钟三个吸附时间梯度进行对比研究。在200 ppb甲苯条件下，吸附时间从5 min增至15 min可使PF从7.1提升至21.9（图5），脱附时间分别为1.1、1.0、1.1 min，与吸附时长的相关性不显著。

图5. 不同吸附时间的预浓缩性能。（a）5、10 和 15 分钟吸附时间下的检测响应；（b）吸附时间与富集倍数关系图。

4. 循环稳定性：为验证预浓缩装置的重复性与长期稳定性，本研究进行了30次连续热循环耐久性实验，并开展固定实验条件的周期性预浓缩操作测试，每5个循环以基准工况（甲苯入口浓度200 ppb，吸脱附流速450 mL/min，脱附电压为1.25 V）测试预浓缩器的吸附−脱附质量比（I_d/a）与富集倍数（PF）的动态演变。图6展示了30次连续热循环实验的结果，在一致的进口条件下，周期性预浓缩测试实验的吸附-解吸质量比I_d/a=1.0±0.05（RSD=5.4%），富集倍数PF均值为达13.6±0.35，相对标准差仅为2.6%，平均脱附时间为1.15±0.10分钟，相对标准偏差为8.8%。关键性能参数的一致性（I_d/a≈1，RSD<6%，富集倍数RSD<3%）为在线监测仪器在复杂工况下的工程可靠性提供了相应支撑。

图 6. 30次循环下的预浓缩性能。（a）该柱状图展示了30次实验中的吸附-解吸质量比（I_d/a），（b）右侧的柱状图显示了在进样甲苯浓度为 200 ppb、流速为 450 mL/min的实验条件下得到的富集倍数（PF）和解吸时间（t_d）。图中的浅色矩形代表了相应参数PF、I_d/a、t_d的 95%置信区间。

(3) 低温解吸下的检测灵敏度突破与系统优势

本研究通过预浓缩技术实现了甲苯检测灵敏度的显著提升。基于实验数据线性拟合（R²=0.906），系统将PID传感器的检测限（LOD）从80 ppb降至4.8 ppb，定量限（LOQ）从175 ppb降至10.7 ppb，灵敏度提升达16倍，该数值不仅低于中国室内空气质量标准（53 ppb），更为当前国际报道的<100°C解吸温度下最低检测限（图7）。文献系统分析（涵盖2005-2025年13项研究）表明（图7b）：在低温解吸区间（<100°C），本研究的4.8 ppb检测限较次优技术提升52%；相较于高温系统（如330°C实现0.15 ppb），本方案以87°C低温达成监管限值1/10的灵敏度，同时解吸速度更快（1.1 min vs 100 s），兼顾了灵敏度与能效平衡。

图 7.（a）不同浓度下预浓缩器的富集系数以及拟合直线的外推结果；（b）预浓缩器的加热温度与不同气体检测系统中的检测限（LOD）的比较。图中编号为 A-N 的参考文献详见附录。文献中报道的检测限以两种形式呈现：实验测量的最低值（蓝色圆点，标注为“Exp.”）以及从实验数据推导出的理论外推限值（灰色圆点，标注为“Cal.”），后者包括本研究的结果。图中低于和高于 100℃的温度范围分别定义为低温范围（Low temp.）和高温范围（High temp.）。

【成果小结】

本研究设计并制造了一种新型预浓缩器，通过多级孔结构优化传质与原位焦耳热驱动脱附的创新设计，实现了低浓度VOCs的高灵敏检测。设计中采用泡沫镍结构使预浓缩器能够实现快速的内部热传导，同时Tenax TA 负载泡沫镍的多尺度孔隙率降低了流动过程中的质量传递阻力，从而允许更大的流量和更高的吸附-解吸容量。该装置在87°C较低的脱附温度下实现甲苯4.8 ppb的检测限，且具备快速响应（脱附时间1.1 min）、低功耗（21 W）及优异循环稳定性（30次循环RSD<6%）三大优势。在针对甲苯检测的系统中，本研究较现有低温系统提升灵敏度52%，检测限显著低于我国室内空气质量标准中对甲苯设定的阈值（0.20 mg/m³，相当于53 ppb）。该技术为便携式室内空气质量监测设备提供了核心组件，未来结合高选择性传感器阵列可进一步拓展痕量污染物检测应用。

【作者介绍】

汪琰博士：清华大学建筑技术科学系

该论文的第一作者为是本课题组2025届博士毕业生汪琰。汪琰博士致力于研究室内挥发性气态污染物的采样及传感监测技术，已在Building and Environment, Construction and Building Materials等国际著名期刊发表论文14篇（第一作者论文5篇），授权发明专利1项，曾在2023年全国室内环境与健康大会获优秀墙报。

本文通讯作者为香港理工大学土木及环境工程学系博士后陈着博士，共同作者包括深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉，和深圳大学土木与交通工程学院博士生庞冬晴。

本文引用格式

Wang, Y., Pang, D., Mo, J., Chen, Z., Nickel foam-based preconcentrator for sensitive and accurate detection of low-concentration volatile organic compounds. Building and Environment, 2025, 279, 113070.

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801）与深圳市自然科学基金项目（项目号：JCYJ20240813143502004）的资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.113070

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