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