Металлоорганические «рецепторы» для «электронного носа»

• 
• коллектив

В лабораторию фотоактивных супрамолекулярных систем ИНЭОС РАН охотно идут студенты и аспиранты. Фото: Дмитрий Джинчарадзе

Вы бы хотели ощущать вкус всем телом, как сом, или постоянно видеть расположение кровеносной системы вашего собеседника, как летучая мышь-вампир? Наверное, для человека «встроенные» сенсоры такого рода ни к чему, но возможность включать и выключать эти и многие другие способности — мечта! Причём вполне осуществимая — благодаря слаженному развитию искусственных «органов чувств» и анализаторов полученной информации.

Сенсоры, которые разрабатывает коллектив лаборатории фотоактивных супрамолекулярных систем ИНЭОС РАН под руководством профессора, доктора химических наук Ольги Фёдоровой в рамках проекта «Разработка новых оптических сенсоров: от хемосенсорных полупроводниковых гибридов до оптических устройств», поддержанного ФЦП «Исследования и разработки на 2014-2020 годы», служат для самых разных целей.

«Сенсоры окружают нас везде — они контролируют железнодорожное и авиасообщение, экологическое состояние воды, почвы и воздуха (с чем связана, в том числе, работа МЧС), пищевые продукты и напитки, лекарства, — пояснила руководитель проекта. — Огромное значение сейчас приобретают сенсоры в медицине для постановки диагноза, есть и много других применений сенсоров».

Меньше размеры, больше точность — ответ даст химия

Однако, несмотря на такое широкое применение, сегодняшние измерительные приборы далеко не идеальны. Самые точные из них, основанные на полупроводниковых сенсорах, входят в рабочий режим при очень высоких температурах — 100-500°С. Поэтому анализаторы всегда содержат нагревательные элементы, которые поддерживают их рабочую температуру. Естественно, такой прибор уже не может быть миниатюрным. Поэтому общая тенденция развития сенсоров связана с уменьшением их размера и веса, чтобы анализ можно было проводить в любом месте. При этом важно повысить селективность сенсоров, чтобы они реагировали на появление не класса веществ (скажем, газов-окислителей), а могли точно определить его химический состав.

«Это принципиальное обновление, потому что такой маленький сенсор можно интегрировать куда угодно: в планшет, в мобильный телефон. Это позволит перейти на совершенно другой уровень диагностики. Например, улавливая определённые газовые компоненты в выдыхаемом человеком воздухе, можно однозначно указать, что у него развивается сердечно-сосудистый приступ. Если есть такая опасность, смартфон посылает сигнал SOS родственникам или наблюдающему врачу. Сами по себе сенсоры очень чувствительны, поэтому их надо адаптировать к широко используемым мобильным устройствам», — прокомментировала Ольга Фёдорова.

Безусловно, такие «портативные лаборатории» уже существуют, к ним можно отнести глюкометры или кислородометры. Но такой «мобильный вариант» разработан далеко не для всех сенсоров, и анализ экологического состояния почвы или воздуха зачастую проводится в лаборатории. Чтобы решить проблему подогрева, сохранив при этом точность измерения, мало усовершенствовать электронику. Для этого нужен новый тип химического сенсора.

Поэтому первой задачей проекта стала разработка двух новых типов композитов на базе нанокристаллических полупроводниковых оксидов, которые можно было бы использовать для создания селективных газовых сенсоров, работающих при комнатной температуре.

«Всё идёт от молекулы, которая может что-то распознать, — рассказала Ольга Фёдорова. — Мы решили модифицировать поверхность полупроводникового сенсорного чипа металлоорганическими соединениями. Дело в том, что когда металл попадает в окружение органической компоненты, он может по-разному связывать разные типы газовых молекул, повышая таким образом селективность анализатора».

Анастасия Зубенко выполняет первый этап подготовки активного покрытия для сенсоров

После предварительных расчётов и компьютерного моделирования группа учёных ИНЭОС РАН совместно с коллегами с кафедры неорганической химии химфака МГУ имени М.В. Ломоносова рассмотрела пять металлоорганических соединений на основе меди и оценила их характеристики. Через обработанные специальным образом чипы пропустили различные газы, и

выяснилось, что соединения меди с азотом, аммиаком и угарным газом влияют на чувствительность сенсоров куда меньше, чем с добавлением сероводорода или этанола.

• 
• Чипы

Чипы на основе органометаллических сенсорных элементов

«Мы сильно повышаем чувствительность элемента по отношению к определённым газам. При этом выходит, что элемент, который используется в качестве сенсора, очень маленький, и расход материала, который мы будем использовать, чрезвычайно мал. Поэтому все эти модификаторы могут быть получены в лабораторных условиях, и небольшого количества будет достаточно для того, чтобы создавать солидное количество сенсорных элементов», — уточнила руководитель проекта.

• 
• чувствительность

Селективность газового анализатора

Использование сочетания органических и неорганических элементов оказалось выигрышной комбинацией и для уменьшения габаритов устройств. Избавиться от необходимости нагревать полупроводниковые сенсоры позволило использование другого метода сенсибилизации датчиков — при помощи света. Для этого тоже необходимо подобрать правильные соединения, в первую очередь, органическую компоненту. «Органика должна под действием света отдавать свой электрон и таким образом вызывать ток, — пояснила Ольга Фёдорова. — Действительно, вот такая простая процедура, как модификация органики, позволяет нам добиться нужного результата».

• 
• ток

Световое облучение повышает активность полупроводника

У научного коллектива есть и конкретные потребители среди компаний, производящих такие сенсоры, например, группа Хроматотек, которая уже 40 лет специализируется на изготовлении и продаже газоанализаторов. Продукция компании применяется в широком спектре направлений от мониторинга атмосферного воздуха и контроля промышленных выбросов до оценки герметичности контейнеров при перевозке сжиженного природного газа. И разработанные в рамках проекта сенсорные элементы могут улучшить работу практически по каждому направлению.

Свет науки

После решения двух задач — повышения селективности анализаторов газов и снижения их рабочей температуры до комнатной — учёные расширили область применения сенсоров, модифицировав их структуру. При этом сохраняются основные принципы — селективность анализа и работа при комнатной температуре. Новые сенсоры будут «специализироваться» на оптическом анализе водных растворов солей и даже органических молекул, таких как ДНК.

Марина Захарко работает с сенсорами органических молекул

Новые флуоресцентные чувствительные элементы будут реагировать на катионы металлов в органических и неорганических соединениях.

• 
• флуоресцентнось

Устройства с такими сенсорами широко распространены в сферах медицины и экологического контроля. К примеру, малая инновационная компания при МГУ имени М.В. Ломоносова МедЭкоТест, сотрудничающая с учёными, готова использовать полученные наработки для развития таких направлений, как контроль качества питьевой воды, контроль за состоянием природных вод и почв, а также контроль плодородия сельскохозяйственных угодий, медицинская диагностика.

У проекта есть и иностранные партнёры. Фотофизическими исследованиями занимается коллектив Университета Бордо I (Франция), а за разработку синтеза органических флуоресцентных модификаторов с высокой аффинностью к ДНК отвечает группа из Зигенского университета (Германия).

«Мы недавно начали проект ФЦП, но у нас уже хороший задел по заявленным направлениям», — подчеркнула Ольга Фёдорова. Действительно, такие разработки не делаются за несколько месяцев. А всё-таки приятно, что наука позволяет нам развить новый «орган чувств» за ничтожно малый с точки зрения эволюции срок!

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.