Они помогут диагностировать хронические заболевания

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.

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 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.

«NH3 and H2S Real-Time Detection in the Humid Air by Two-Layer Langmuir-Schaefer OFETs»; Askold A. Trul, Victoria P. Chekusova, Marina S. Polinskaya, Alexey N. Kiselev, Elena V. Agina, Sergey A. Ponomarenko; журнал Sensors and Actuators B: Chemical, октябрь 2020 г