Оценка возможности прогноза и регуляции сорбционных свойств композитных покрытий пьезокварцевых сенсоров

Анастасия Александровна  Шуба; Татьяна Анатольевна  Кучменко; Руслан Умарханович  Умарханов

doi:10.17308/sorpchrom.2023.23/11571

Анастасия Александровна Шуба Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия
Татьяна Анатольевна Кучменко Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, Москва, Россия
Руслан Умарханович Умарханов Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11571

Ключевые слова: пьезокварцевый сенсор, сорбент, композитное покрытие, сорбция, летучие соединения, массовая чувствительность, кинетика сорбции, проекция на латентные структуры

Аннотация

В настоящее время бурно развивается направление синтеза и применения новых соединений в качестве сорбентов, в том числе при создании сенсоров. Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик в сочетании с чувствительностью и селективностью используют различные походы для создания композитных покрытий сенсоров. Изучение сорбционных процессов лежит в основе создания и разработки аналитического применения газовых сенсорных систем, в том числе на основе пьезокварцевых резонаторов. При разработке новых покрытий для дальнейшего успешного их аналитического применения актуальным является создание модели или теории прогноза их сорбционных свойств. Поэтому работа посвящена оценке возможности прогнозирования сорбционных свойств композитных покрытий пьезокварцевых сенсоров на основе сорбентов различной природы.

В качестве сорбентов для формирования сорбционных пленок и композитных покрытий (в соотношении 1:1 по массе, обозначение (сорбент1+сорбент2)) на поверхности электродов пьезокварцевых резонаторов (ПКР) с базовой частотой колебания 14,0 МГц использовали вещества различной природы (хитозан, 18-краун-6, аморфный оксид кремния, ланолин, дигидрокверцетин, углеродные нанотрубки, концентрат мицеллярного казеина (КМК)). Исследование сорбции соединений на индивидуальных и композитных покрытиях сенсоров проводили в статическом режиме на приборе «МАГ-8». В качестве сорбционных свойств покрытий рассчитывали характеристики, отражающие эффективность (удельная массовая чувствительность) и кинетику (коэффициент десорбции, скорость сорбции) сорбции веществ. Для прогнозирования сорбционных свойств покрытий применяли метод проекций на латентные структуры. В результате исследований подтверждено ранее установленное влияние степени дисперсности сорбента на массовую чувствительность микровзвешивания паров веществ – с увеличением размера частиц удельная массовая чувствительность возрастает. Показано, что наблюдается увеличение удельной массовой чувствительности микровзвешивания паров веществ композитными покрытиями (КМК+стабилизирующий сорбент) при увеличении сродства стабилизирующего сорбента к парам воды. При этом с увеличением длины углеводородного радикала на С₂Н₅- в гомологических рядах карбоновых кислот и спиртов скорость возрастания удельной массовой чувствительности микровзвешивания увеличивается на порядок. Также с ростом полярности сорбируемых соединений скорость сорбции возрастает на всех композитных покрытиях (КМК+стабилизирующий сорбент). Установлено, что удельная массовая чувствительность микровзвешивания паров веществ на композитных покрытиях на основе хитозана увеличивается для паров летучих соединений с небольшим углеводородным радикалом при увеличении сродства сорбента к воде. Также с ростом полярности молекул сорбатов скорость сорбции на всех композитных покрытиях на основе хитозана уменьшается, что согласуется с изменением скорости сорбции на его индивидуальной пленке. Предложен подход для оценки сорбционных характеристик композитных покрытий на основе рассмотренных типов сорбентов с определением коэффициентов методом регрессии на латентные структуры с погрешностью 5%. Рассмотренные тенденции в изменении сорбционных свойств покрытий в зависимости от различных факторов возможно использовать при создании композитных покрытий газовых пьезосенсоров с заданными сорбционными свойствами.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Анастасия Александровна Шуба, Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

доцент кафедры физической и аналитической химии, к.х.н., Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

Татьяна Анатольевна Кучменко, Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, Москва, Россия

профессор РАН, заведующая кафедрой физической и аналитической химии, д.х.н., Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж. Ведущий научный сотрудник лаборатория химических сенсоров и определения газообразующих примесей Института ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия

Руслан Умарханович Умарханов, Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

доцент кафедры физической и аналитической химии, к.х.н., Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

Литература

Combinatorial Methods for Chemi-cal and Biological Sensors, ed. RA Potyrailo and VM Mirsky. 2009: 135.

Nikolic MV, Milovanovic V, Va-siljevic ZZ, Stamenkovic Z. Semiconductor Gas Sensors: Materials, Technology, De-sign, and Application. Sensors. 2020; 20(22): 6694. https://doi.org/10.3390/s20226694

Blue R., Uttamchandani D. Chemi-capacitors as a versatile platform for miniature gas and vapor sensors. Meas. Sci. Technol. 2017; 28: 022001. https://doi.org/10.1088/1361-6501/28/2/022001

Sadeghian R.B., Kahrizi M. A novel miniature gas ionization sensor based on freestanding gold nanowires. Sensors and Actuators A: Physical. 2007; 137(2): 248-255. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.03.010

Savaloni H., Savari R., Abbasi S. Application of Mn nano-flower sculptured thin films produced on interdigitated pat-tern as cathode and anode electrodes in field ionization gas sensor. Current Applied Physics. 2018; 18(8): 869-878. https://doi.org/10.1016/j.cap.2018.04.017

Sichani S.B., Nikfarjam A., Hajghassem H. A novel miniature planar gas ionization sensor based on selective growth of ZnO nanowires. Sensors and Ac-tuators A: Physical. 2019; 1: 55-60. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.01.024

Lagutin, A.S., Vasil’ev, A.A. Solid-State Gas Sensors. J Anal Chem. 2022; 77: 131-144. https://doi.org/10.1134/S1061934822020083

Kuchmenko T.A. Metod p'ezo-kvarcevogo mikrovzveshivaniya v gazovom organi-cheskom analize. Dis…d-ra. him. nauk. Voronezh, 2003. 473 p. (In Russ.)

Kuchmenko T.A., Asanova Y.A., Molchanov V.I. Effect of solvent on the adsorption of benzene vapors by dicyclo-hexane-18-crown-6 thin films. J Anal Chem. 2009; 64: 354-360. https://doi.org/10.1134/S1061934809040066

Karlov P.A., Kuchmenko T.A. Izuchenie sorbcionnyh svojstv modificiro-vannyh MUNT k param organicheskih soedinenij. Sorbtsionnye i khromato-graficheskie protsessy. 2022; 22(4): 512-522. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/10606 (In Russ.)

Shuba, Anastasiia, Tatiana Kuchmenko, and Ruslan Umarkhanov. 2022. "Piezoelectric Gas Sensors with Pol-ycomposite Coatings in Biomedical Appli-cation" Sensors 22, no. 21: 8529. https://doi.org/10.3390/s22218529

Shuba A., Kuchmenko T., Umarkhanov R. Bogdanova E. Composite Coatings of Piezoelectric Quartz Sensors Based on Viscous Sorbents and Casein Mi-celles Conference Proceedings, Istanbul Türkiye April 24-25, 2023 XVII. interna-tional research conference proceedings P. 1-4.

Sayerbrey G., Messung Von Plat-tenschwingungen Sehr Kleiner Amplitude Durch Lichtstrommodulation. Zeitschrift Fuer Physik. 1964; 178: 457-471.

Karimzadeh, Ayub, Mohammad Hasanzadeh, Nasrin Shadjou, and Miguel de la Guardia. "Peptide based biosen-sors." TrAC Trends in Analytical Chemis-try. 2018; 107: 1-20.

Tianwei T., Liu Y., Jiang Y. "Re-cent progress on highly selective and sensi-tive electrochemical aptamer-based sen-sors." Chemical Research in Chinese Uni-versities. 2022; 38(4): 866-878.