Бумажный флуоресцентный сенсор определил рекордно низкую концентрацию углекислого газа

Ученые из Канады и Германии создали бумажный сенсор, чувствительный к наличию в воздухе концентраций углекислого газа менее шести единиц миллионных долей. Под действием углекислоты, которая получается при взаимодействии CO₂ и воды, флуоресцирующие органические молекулы на сенсоре протонировались. Спектр флуоресценции этого вещества сдвигается пропорционально концентрации углекислого газа, из чего можно сделать вывод о его содержании в анализируемом воздухе. Результаты исследования опубликованы в ACS Applied Materials and Interfaces.

Продолжительный мониторинг концентрации углекислого газа в воздухе часто необходим для обеспечения безопасных условий труда, применяется в умных зданиях, а также важен для некоторых лабораторных исследований. Для этого часто используют сенсоры, основанные на поглощении инфракрасного излучения или электрохимические датчики, основанные на изменении сопротивления материала или тока в нем. Более дешевой и простой альтернативой им могут стать бумажные сенсоры, пропитанные флуоресцентным веществом.

Один из подобных методов детектирования основан на реакции углекислого газа с аминогруппой флуоресцентного красителя — образуются карбаматы, что приводит к гашению или сдвигу спектра флуоресценции. Также можно судить о концентрации диоксида углерода по его взаимодействию с депротонированными аминогруппами флуоресцирующих молекул. Кроме того, диоксид углерода можно определит по количеству углекислоты, которая образуется при контакте углекислого газа и воды. Взаимодействуя с чувствительным к кислотности среды флуоресцентным красителем, угольная кислота меняет его цвет или интенсивность флуоресценции.

Хуэй Ван (Hui Wang) с коллегами из Альбертского университета нанесли на бумажную матрицу чувствительное к изменению кислотности флуоресцентное вещество и протестировали полученный газовый сенсор на диоксид углерода. Ученые опускали бумагу в спиртовой раствор хромофора бис-(4-пиридил)-динеопентоксил-п-фенилен-ди-винилена (Np-P4VB), флуоресцентный спектр которого зависит от кислотности среды, и давали ей высохнуть. Способность полученного сенсора определять содержания CO₂ проверили, пропуская через него смесь углекислого газа, азота и водяного пара и измеряя в реальном времени спектр его флуоресценции с помощью миниатюрного спектрометра. Авторы также проверили, как работает сенсор для анализа более сложных газовых смесей — атмосферного и выдыхаемого воздуха.

Когда атомы азота в молекуле Np-P4VB протонировались под действием углекислоты, спектр флуоресценции с сине-зеленого пропорционально смещался к оранжевому, из чего исследователи делали вывод о содержании углекислого газа в анализируемой газовой смеси.

На бумаге хромофор со временем выцветал, что вело к снижению интенсивности флуоресценции, но авторы учитывали это, рассчитывая концентрации по соотношению интенсивностей флуоресценции на разных длинах волн. Фоновый сигнал датчика составил менее десятой доли процента, а время отклика — порядка одной минуты. Исследователи экспериментально показали возможность определения концентрации углекислого газа в 100 ppm (миллионных долей), а рассчитанный предел обнаружения составил менее шести микрограмм на грамм воздуха.

Авторы работы утверждают, что из одного миллилитра раствора хромофора можно сделать множество таких бумажных сенсоров, их производство дешево и не требует применения сложных технологий. По их словам, датчик может пригодиться для продолжительного мониторинга содержаний диоксида углерода, однако рекомендуется следить за их старением в реальных условиях. Также исследователи заключают, что сенсор требует дальнейших усовершенствований в производстве и тестировании для повышения стабильности значений отклика от образца к образцу.

Усложнение геометрических параметров сенсоров может позволить решать и более сложные аналитические задачи. Так, создание микрофлюидного устройства из бумаги позволило ученым создать чип, способный с высокой точностью (98 процентов) диагностировать малярию.

Алина Кротова