Российские
исследователи разработали новый подход к обнаружению токсичных
низкомолекулярных газов —
сероводорода и аммиака. Новые сенсоры на
основе органических полевых транзисторов существенно дешевле аналогов, таких
как, например, электрохимические ячейки. При этом они отличаются высокой чувствительностью
к токсичным газам, быстрым откликом и простотой в обращении. Работа выполнена при поддержке гранта Президентской
программы Российского научного фонда, результаты исследования опубликованы
в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
Задача количественного
определения токсичных газов в составе атмосферного воздуха представляет собой
актуальную проблему для многих областей науки и техники. Например, предельно
допустимая концентрация (ПДК) сероводорода в воздухе жилых помещений составляет
10 ppb и не ощущается человеком, при этом систематическое нахождение в
помещениях, где ПДК сероводорода превышена, может привести к серьезным
заболеваниям легочной и нервной систем. Другим примером может служить
детектирование маркеров опасных заболеваний по выдыхаемому человеком воздуху.
Так, наличие в нем аммиака свидетельствует о дисфункции почек или печени, а присутствие
оксида азота (II) — о серьезных легочных заболеваниях, начиная от астмы и
заканчивая раком. Еще ряд примеров включают в себя определение свежести пищевых
продуктов, в первую очередь мяса и рыбы.
Специалисты из Института синтетических полимерных
материалов имени Н. С. Ениколопова РАН (Москва) предложили
новый подход к созданию газовых сенсоров для обнаружения низкомолекулярных
токсичных газов. Такие сенсоры основаны на монослойных органических полевых
транзисторах (ОПТ) — устройствах, работающих по тому же принципу, что и тонкопленочные
полевые транзисторы, в которых неорганический полупроводник заменен на
органический слой толщиной в одну молекулу. Электрические свойства
мономолекулярных слоев сильно зависят от внешних факторов, таких как состав
окружающей среды, оптическое или радиационное излучение, а также различные
механические воздействия. Это позволяет использовать органические транзисторы
как высокочувствительные сенсоры, в том числе газовые.
В разработанных сенсорах
в качестве органического полупроводника использовали кремнийсодержащее
производное бензотиенобензотиофена, а для нанесения полупроводникового монослоя
на подложку применили метод Ленгмюра-Шеффера, который представляет собой
недорогую и хорошо масштабируемую технологию и позволяет получать двумерные кристаллические
полупроводниковые слои. Такое устройство реагирует на изменение содержания
аммиака и сероводорода в воздухе в минимальных концентрациях вплоть до 50-100
млрд.-1 долей, изменяя характеристики выходного тока.
В ходе экспериментов
ученые показали, что свойства сенсоров можно легко варьировать, используя
различные рецепторные слои на основе металлопорфиринов, которые, как и
полупроводник, можно нанести методом Ленгмюра-Шеффера. В качестве рецепторов применяли
тетрафенилпорфирины (TTP),
содержащие оксид титана (TiO-TPP), медь (Сu-TPP) и хлорид железа (FeCl-TPP). Это позволило повысить избирательность
(селективность) отклика сенсора при сохранении его сверхвысокой чувствительности,
в том числе при влажности воздуха вплоть до 60%. Следует отметить, что сами по
себе органические полевые транзисторы чувствительны к влаге воздуха и теряют
свои свойства при ее увеличении. Однако большая часть практических применений
газовых сенсоров связана с ненулевой влажностью исследуемой атмосферы. Использование
рецепторных слоев позволяет преодолеть эти ограничения и открывает путь к
созданию эффективных селективных многоразовых сенсоров для анализа состава
воздуха в режиме реального времени.
«Мы разработали подход,
позволяющий легко изменять чувствительность и селективность газовых сенсоров на
основе органических транзисторов с помощью нанесения разных рецепторных слоев.
Это открывает возможность создания искусственной системы обоняния "электронный
нос" на основе таких сенсоров», — рассказывает Аскольд Труль, младший
научный сотрудник Института синтетических полимерных материалов имени Н. С.
Ениколопова РАН.
Картинка 1. Научная
группа. Источник: Аскольд Труль/ИСПМ РАН
Картинка 2. Схематическое
изображение предложенной системы и результатов исследования.
Источник: Trul et al. / Sens. Actuators B Chem., 2020