Исследователи из Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института органической химии СО РАН впервые сконструировали химический сенсор на основе оптического волокна, избирательно реагирующий на присутствие бутиламина. Работа поддержана Отделением физических наук РАН, интеграционным проектом СО РАН и государственной программой поддержки ведущих научных школ. Результаты опубликованы в журнале «Физика твёрдого тела».

Амины – это производные аммиака. Они широко применяются в химической промышленности, но при работе с ними необходимо строгое соблюдение техники безопасности, так как многие амины очень токсичны. В помещениях, где ведётся работа с этими веществами, необходимо устанавливать химические сенсоры, чтобы своевременно распознавать утечку. Однако сенсоры, применяемые в настоящее время, обладают низкой селективностью и высоким уровнем ложных срабатываний.

Отечественные исследователи во главе с Александром Плехановым создали сенсор, специфически распознающий бутиламин – один из наиболее токсичных и взрывоопасных аминов. Работа сенсора основана на том, что молекулы люминесцирующего красителя способны изменять спектр свечения, связываясь с токсичным агентом. Эти молекулы-датчики были встроены в матрицу из наночастиц кремнезёма, нанесённую на торцевую поверхность оптоволокна.

Лазер, находящийся на противоположном конце волокна, подаёт импульсы света. В ответ на них молекулы красителя испускают собственное свечение, которое анализируется спектрометром. В обычной ситуации в спектре наноплёнки хорошо виден пик в области 660 нм. В случае связывания красителя с токсичным бутиламином он пропадает и появляется зелёно-жёлтая люминесценция на длине волны 560 нм.

Авторы отмечают, что используемая ими химическая реакция высокоселективна: изменение спектра наблюдается именно при добавлении бутиламина, но не других подобных ему веществ. Это означает, что вероятность ложного срабатывания системы очень мала. Учёные также продемонстрировали, что чувствительность сенсора можно повышать, изменяя молекулярную структуру плёнки, содержащей краситель. Они выяснили, что нанесение на плёнку «зеркала» из искусственных опалов и встраивание в неё наночастиц серебра позволяют увеличить суммарную интенсивность люминесценции в 10 раз, «что открывает перспективу создания селективных оптических химических сенсоров удалённого мониторинга».

Первоисточник информации:

И. А. Болдов, А. С. Кучьянов, А. И. Плеханов, Н. А. Орлова, И. Ю. Каргаполова, В. В. Шелковников Оптоволоконный химический сенсор на соединения аминного типа. – Физика твёрдого тела. – 2011. – том 53. – вып. 6.