Научные направления кафедры аналитической химии

Портативные полупроводниковые сенсоры для мониторинга токсичных газовых сред

Руководитель темы: д.х.н., проф. А.А. Ищенко. Состав научной группы: д.х.н., проф. Ю.М. Киселёв, в.н.с., к.ф.-м.н. А.А. Перов, асс. А.В. Бахтин.

Одной из актуальных проблем современной аналитической химии является разработка экспресс-методов анализа, позволяющих определять содержание анализируемого компонента в режиме реального времени без трудоемких операций пробоотбора и пробоподготовки. Решение такой масштабной задачи возможно при использовании сенсорных систем, созданных с применением микро - и нанотехнологий, которые позволяют получать миниатюрные, надежные и относительно дешевые датчики и системы. Области использования газовых сенсоров охватывают широкий круг возможных приложений, включающих мониторинг окружающей среды, контроль технологических процессов, медицинскую диагностику.

Целью данной работы является решение фундаментальной проблемы аналитической химии: экспресс-анализа ультрамикропримесей сложных газовых сред в режиме реального времени. Решение этой проблемы достигается при использовании чувствительных резистивных полупроводниковых газовых сенсоров на основе металлокомплексов порфиринов. Одной из основных задач является определение механизма проводимости и изменения функции отклика квазидвумерных координационных полупроводников при воздействии на их поверхность детектируемых веществ. С этой целью проводятся физико-химические экспериментальные исследования, и развивается теоретическая модель функционирования квазидвумерных газочувствительных слоев металлопорфиринов – газочувствительных элементов сенсора. Разрабатываются новые методы выделения аналитического сигнала, основанные на наблюдаемом нами эффекте влияния фотовозбуждения на кинетику и величину отклика газочувствительного элемента.

Блок-схема проточной установки для исследования сенсорных свойств (а) и вид сенсорных образцов в газовой ячейке (б).
1-компрессор для накачки воздуха в измерительную камеру; 2- баллон с газовой смесью: 100 ppm NH3 в аргоне; 3,4- ротаметры; 5-осушитель; 6,7,8,9- электронные газовые клапаны; 10- исследуемый образец; 11- влагомер; 12- ампервольтметр “Эксперт 001” (Эконикс Эксперт, Москва) для измерения проводимости; 13- питание нагревателя образца; 14- цифровой измеритель температуры образца.

Основной задачей данного направления является создание высокочувствительных селективных и недорогих портативных газовых химических сенсоров, основанных на металлопорфиринах, для обнаружения различных газов, таких как аммиак и его производные, гидразин, гидроксиламин, амины и сероводород, а также оксидов азота. Разработка нового класса мультисенсоров, которые могут быть использованы для измерений в газовой среде, для нужд промышленности, охраны окружающей среды и даже для индивидуального (домашнего) использования.

Структура напыленных пленок этиопорфирина кобальта (II) - газочувствительного слоя сенсора, по данным атомно-силовой микроскопии (слева) и сканирующей электронной микроскопии (справа).

Применение различных кооординационных соединений для синтеза газочувствительных комплексов, составляющих основу сенсорного элемента, позволяет конструировать мультисенсорные системы, значительно расширяющие возможности самого датчика, а именно, селективно распознавать и определять концентрацию определенных газов, входящих в состав газовой смеси, по принципу так называемого «химического носа».

Работа была поддержана рядом грантов РФФИ и Международным грантом МНТЦ, представлена на Международных конференциях, симпозиумах и выставках: 2002 году награждена золотой медалью на выставке “Экология”, в 2003 году награждена серебряной медалью на выставке, посвящённой 300-летию Петербурга.