Новый подход позволяет осуществлять сверхчувствительное обнаружение летучих органических соединений

Редакция HospiMedica - Россия
Опубликовано 12 Apr 2017
 С помощью подхода для регулировки пор с использованием анизотропных нанокристаллов SnO2 ученые разработали высокочувствительные газовые датчики для обнаружения летучих органических соединений (ЛОС).

Некоторые летучие органические соединения вредны для животного мира или состояния окружающей среды, поэтому выявление этих газов имеет немаловажное значение для поддержания здоровья и безопасности. ЛОС также могут быть полезными в медицинской диагностике, для эффективности которой требуются высокочувствительные датчики.

Нанокристаллические датчики на основе диоксида олова для обнаружения летучих органических соединений (ЛОС). Вверху: схематическое изображение датчика на основе наностержней SnO2 для обнаружения ЛОС. Внизу: реакция датчика в соответствии с  размером пор для изменения 100 миллионных долей (ppm) газа этанола на 5 порядков при температуре 250 градусов по Цельсию (фото предоставлено профессором Тетсуя Кида (Tetsuya Kida), Университет Кумамото/ACS).
Нанокристаллические датчики на основе диоксида олова для обнаружения летучих органических соединений (ЛОС). Вверху: схематическое изображение датчика на основе наностержней SnO2 для обнаружения ЛОС. Внизу: реакция датчика в соответствии с размером пор для изменения 100 миллионных долей (ppm) газа этанола на 5 порядков при температуре 250 градусов по Цельсию (фото предоставлено профессором Тетсуя Кида (Tetsuya Kida), Университет Кумамото/ACS).

В целях улучшения выявления ЛОС исследователи из Университета Кумамото, в сотрудничестве с исследователями из Фукуока Industrial Technology Center и Университета Тохоку, приступили к улучшению чувствительности датчика путем модификации размеров частиц и пор нанокристаллов диоксида олова (SnO2) на чувствительной пленке. Они знали, что размер частиц был определяющим фактором в реакции датчика, поэтому сформулировали метод синтеза частиц SnO2 с различными моделями размера и распределения пор и провели анализ для определения оптимальной морфологии частиц пленки датчика для различных газов.

Используя метод гидротермального синтеза, исследователи синтезировали нанокубики и наностержни SnO2 и создали газочувствительные пленки с различными размерами пор и частиц. Нанокристаллы, созданные в этом эксперименте, были разработаны с использованием органических молекул в кислом растворе, что является основным отличием от предыдущих экспериментов, в которых использовались катионы в щелочном растворе. Пленки, изготовленные из нанокубиков, имели очень мелкие поры, менее 10 нм, в то время как пленки, изготовленные из наностержней, были отчетливо пористыми, с размером пор более 10 нм. Были синтезированы нанокристаллы SnO2 с примесью палладия (Pd) с целью проверки идеи, что примесь Pd позволит улучшить отклик датчика за счет изменения размеров пор.

Газами, использовавшимися для тестирования новых датчиков, были водород (200 миллионных долей), этанол (100 миллионных долей) и ацетон (100 миллионных долей), каждый из которых является известным биомаркером мальабсорбции глюкозы, алкогольной интоксикации и диабетического кетоацидоза соответственно. Отклик датчика (S) рассчитывался с использованием коэффициента электрического сопротивления, возникающего в воздухе (Ra), к сопротивлению, производимому тестируемым газом (Rg) (S = Ra/Rg).

Исследовательская группа обнаружила, что датчики давали наилучший отклик при использовании длинных (500 нм) наностержней при температуре около 250 градусов Цельсия, за исключением датчика H2, который давал лучший отклик с нанокубиков при температуре 300 градусов Цельсия. Кроме того, легированные Pd датчики демонстрировали улучшенную реакцию при температуре 250 градусов Цельсия с длинными наностержнями, представляющими собой лучшую эксплуатационную морфологию нанокристаллов для каждого из протестированных газов.

"Наши эксперименты показывают, что нанокристаллические датчики с большими размерами пор дали лучшие отклики. В частности, мы обнаружили сверхвысокую чувствительность (увеличение на 5 порядков) в устройствах с наибольшим размером пор, а именно датчиках на длинных наностержнях, — сообщает профессор Тетсуя Кида, сотрудник Университета Кумамото. — Это говорит нам о том, что полезно иметь точный контроль над методами изготовления датчиков такого типа".

Моделирование позволило подсчитать, что уровни обнаружения этанола находятся в более низком диапазоне частиц на миллиард (parts-per-billion), т.е. эти устройства вполне реализуемо могут выявлять биомаркеры алкоголя в дыхании пациента.

Одним из недостатков новых датчиков является их относительно долгое время восстановления. Несмотря на то, что время срабатывания было быстрым, в интервале 15-21 секунд, время восстановления падало до 157-230 минут. Считалось, что это вызвано реакцией побочных продуктов, остающихся на поверхности сенсорной пленки. Кроме того, результаты экспериментов и моделирования на примере этанола показали, что датчики с размерами пор более 80 нм склонны к насыщению. Тем не менее вполне вероятно, что это может быть преодолено путем оптимизации размера пор и контроля электрического сопротивления сенсорной пленки.

Исследование, проведенное Кида Т. и др., было опубликовано в ноябре 2016 г. в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Химия Новости