Битва экстрасенсоров: новые датчики улучшат мониторинг вредных выбросов

Российские ученые разработали уникальные сенсоры, способные фиксировать наличие токсичного газа — диоксида азота — во влажной атмосфере. Существующие сейчас датчики плохо работают именно в насыщенном влагой воздухе. Новое оборудование повысит эффективность контроля за вредными выбросами на предприятиях и в крупных городах. Также сенсоры можно использовать в медицине для первичной диагностики: если в выдыхаемом пациентом воздухе есть диоксид азота — это маркер некоторых воспалительных процессов в желудочно-кишечном тракте.

Поймать «лисий хвост»

Выбросы токсичных газов промышленными предприятиями — основной источник загрязнения окружающей среды. Среди них особое место занимает диоксид азота (NO2). Его также называют «лисий хвост» за характерный рыжий цвет. Это очень токсичный газ. Даже в малых концентрациях (предельно допустимое содержание в воздухе — 0,0001%. — «Известия») он негативно действует на дыхательные пути и легкие, уменьшает содержание в крови гемоглобина, раздражает слизистые оболочки. А в больших концентрациях может вызвать отек легких и другие опасные последствия.

До последнего времени точно определить содержание диоксида азота можно было лишь в сухом воздухе. Научные сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (ИОНХ) РАН разработали высокочувствительный сенсор для фиксации этого газа в условиях повышенной влажности. Лабораторный образец датчика выполнен полностью из отечественных материалов. А используемая технология печати чувствительного слоя позволит существенно снизить стоимость промышленных образцов, рассказали разработчики.

— Результаты работы актуальны не только для фундаментальной науки, но и для прикладного использования. Эти сенсоры можно использовать для определения содержания диоксида азота при мониторинге качества воздуха в городах и на промышленных предприятиях, — отметил научный сотрудник ИОНХ РАН Артем Мокрушин. — Их можно использовать и в медицине для первичной диагностики пациентов по составу выдыхаемого воздуха, так как диоксид азота является маркером некоторых воспалительных процессов, происходящих в желудочно-кишечном тракте.

В качестве чувствительного слоя сенсора выбран оксид цинка (ZnO) с добавкой европия (Eu) и празеодима (Pr). Если в воздухе присутствует диоксид азота, на поверхности чувствительного слоя начинаются обратимые химические реакции, они меняют электрическое сопротивление, и уже эти изменения улавливают детекторы устройства и определяют концентрацию газа в воздухе.

Проблема высокой влажности

Диоксид азота — очень коварный газ. Он имеет сладковатый запах и обнаруживается человеком лишь при концентрации, близкой к предельно допустимой. При этом происходит привыкание и чувствительность к опасным концентрациям падает, рассказал «Известиям» директор Высшей школы физики и технологий материалов СПбПУ имени Петра Великого, кандидат химических наук Александр Семенча.

— Таким образом, постоянно вдыхая диоксид азота, можно его и не почувствовать. Учитывая это, трудно переоценить исследования, направленные на разработку приборов и методов обнаружения NO2 в малых концентрациях, — подчеркнул эксперт.

Основные проблемы любого сенсора — селективность (далеко не каждый из них способен четко улавливать лишь одно вещество, не «отвлекаясь» на другие примеси) и чувствительность. По словам Александра Семенчи, разработчикам удалось решить обе проблемы. Причем использовать весьма технологичный метод производства чувствительных элементов — микроэкструзионную печать.

Влияние влажности воздуха на характеристики сенсоров — это серьезная проблема, которая ограничивает их практическое использование, рассказала «Известиям» доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Светлана Налимова.

— Преимущества разработанных сенсоров делают их очень перспективными для практического применения в экологическом мониторинге для контроля содержания NO2 в атмосфере, — рассказала она. — Из недостатков можно отметить высокие концентрации токсичного диоксида азота, используемые в исследовании, но, судя по результатам, отклик должен проявляться и при более низких концентрациях.

Результаты исследования ученых, выполненного при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Surface Science.