Исследователи из Университета Киото попытались разработать системы газового анализа, лишенные большинства обычных недостатков. Для этого они получили недорогой новый материал, способный проводить быстрое и точное определение углекислого газа в широком диапазоне условий, определяя CO2 за счет изменения флуоресценции.

Существует огромное количество методов определения содержания различных газов в воздухе или другой газовой смеси. Однако обычно все существующие методы экспресс-анализа газов характеризуются какими-либо недостатками, самыми распространенными из которых являются высокие энергозатраты на обнаружение газа, большие размеры аналитического устройства, медленная скорость анализа и чувствительность к влажности анализируемой смеси.

Исследователи из Университета Киото попытались разработать системы газового анализа, лишенные большинства обычных недостатков. Для этого они получили недорогой новый материал, способный проводить быстрое и точное определение углекислого газа в широком диапазоне условий, определяя CO₂ за счет изменения флуоресценции.

Новый материал может многократно использоваться, поскольку интенсивность флуоресценции зависит от концентрации анализируемого газа, новый материал может лечь в основу создания простых устройств для мониторинга содержания различных газовых смесей.

Рис. 1. Введение молекулы-индикатора –
дистирилбензола в гибкий хозяин; изменения
структуры композитного материала и связанные
с ними изменения флуоресценции композитного
материала, вызываемые адсорбцией CO2. (Рисунок
из Nature Materials, 2011; DOI: 10.1038/nmat3104).

Исследователи из Киото, работавшие под руководством Нобухиро Янаи (Nobuhiro Yanai) описывают применение гибкого кристаллического материала – пористого координационного полимера (porous coordination polymer или PCP), структура которого изменяется в результате отклика на изменение состояния окружающей среды. Внедрение в пористый координационный полимер флуоресцентной молекулы-индикатора (дистирилбензола) приводит к тому, что композитный материал приобретает чувствительность к диоксиду углерода, и интенсивность флуоресцентного свечения зависит от концентрации газа, меняясь с изменением его содержания.

Одним из критических вариантов проверки новой системы было определение – сможет ли композитный флуоресцирующий индикатор различить, содержится ли в газовой смеси углекислый газ или ацетилен, а также не ошибиться в определении содержании углекислого газа при наличии в газовой смеси ацетилена (близкие характеристики обоих этих газов зачастую не позволяют многим аналитическим системам определять CO₂ в присутствии C₂H). Полученный исследователями пористый координационный полимер, легированный дистирилбензолом, позволяет проводить экспрессное и точное определение содержания углекислого газа в рамках многих практических задач.

Определение углекислого газа основано на следующем механизме – в наиболее выгодной конфигурации дистирилбензол представляет собой плоскую молекулу с системой сопряжения, что приводит к тому, что она излучает голубой свет. Внедрение в систему координационного полимера приводит к искажению планарной конфигурации дистирилбензола, нарушению системы сопряжения, в результате чего происходит существенное понижение интенсивности флуоресценции дистирилбензола.

Японские исследователи обнаружили, что в присутствии углекислого газа молекула дистирилбензола, «зажатая» в каркасе пористого координационного полимера, переходит в плоскую конфигурацию, и снова оказывается способна к флуоресценции. Самым главным является то, что переход из неизлучающей в излучающую форму полностью обратим и не вызывает существенные изменения в композитном материале, что, в перспективе, позволит использовать новую систему для создания специфических недорогих газосигнализаторов и газоанализаторов.