Химический газовый сенсор на основе гидроксиапатита

Предназначен для применения в анализе газовых и воздушных сред как элемент оборудования и устройств (газоанализатор, анализатор газов).

Известны химические сенсоры на основе пьезокварцевых резонаторов объемных акустических волн с чувствительными покрытиями на электродах из полимерных, вязких, твердых структур [Проблемы аналитической химии / Научный совет по аналитической химии ОХНМ РАН. – М. : Наука, 2010. - . Т.14: Химические сенсоры / пол ред. Ю.Г. Власова. – 2011. – 2011. – 399 с., точнее С. 153]. Недостатком сенсоров с полимерными покрытиями является малое время жизни, преимуществом – высокая селективность. Для других твердотельных покрытий (наноструктурированных электродных материалов) недостатком является низкая селективность, а преимуществом является большое время жизни сенсоров.

Технической задачей изобретения является разработка химического сенсора на основе гидроксиапатита из пьезокварцевых микровесов с большим временем жизни, высокой чувствительностью и регулируемой селективностью.

Для решения технической задачи предложен химический сенсор на основе гидроксиапатита, изготовленный из пьезокварцевого резонатора ОАВ-типа с серебряными электродами с частотой колебаний 8-30 Мгц, на электроды которых наносят методом УЗ-суспензирования ацетоновые взвеси нанодисперсного гидроксиапатита (Cа₅(PO₄)₃OH) так, чтобы после удаления растворителя путем высушивания при температуре 50 °С в течение 20 минут, масса фазы составляла 2-4 мкг.

Фигура 1 Селективность (S) микровзвешивания относительно паров воды (а - сенсор с большой массой гидроксиапатита (4 мкг); б - с малой массой гидроксиапатита (2 мкг)).

Техническим результатом изобретения является разработка химического сенсора на основе гидроксиапатита, изготовленный из пьезокварцевого резонатора ОАВ-типа, электроды которых покрыты нанодисперсной фазой гидроксиапатита (Cа₅(PO₄)₃OH), проявляющего высокую чувствительность и регулируемую селективность к основным органическим и неорганическим легколетучим соединениям: к воде, аминам, алкилацетатам и характеризуются временем жизни не менее двух лет с числом актов сорбции-десорбции не менее 3000 циклов.

Техническое решение реализуется следующим образом.

Промышленный пьезокварцевый резонатор объемных акустических волн с базовой частотой колебаний 8-30 МГц распаивают из вакуума и обезжиривают в ацетоне, сушат. Готовят суспензию нанодисперсного гидроксиапатита Cа₅(PO₄)₃OH в ацетоне в ультразвуковой ванне. Обезжиренный пьезокварцевый резонатор погружают в суспензию, высушивают и оценивают массу покрытия, которая должна составлять 2-4 мкг.

Преимущества и свойства химического сенсора на основе гидроксиапатита подтверждаются следующим примером.

Пример.

Для изготовления химического сенсора на основе гидроксиапатита применяется гидроксиапатит Cа₅(PO₄)₃OH, из которого готовят суспензию в ацетоне, используют УЗ-ванну мощностью 90 Вт в течение 2 мин. Обезжиренный в ацетоне пьезокварцевый резонатор частотой 10 МГц, которую точно фиксируют на частотомере (F1, Гц) погружают в суспензию на 5-10 сек, высушивают при температуре 50 °С в течение 20 минут, охлаждают, вновь измеряют частоту колебаний на частотомере (F2, Гц) и оценивают массу покрытия m_пл, которая должна составлять от 2-4 мкг, по известному уравнению Зауэрбрея: m_пл = .

Оценивали селективность приготовленных по описанной методике химических сенсоров на основе гидроксиапатита массой 2 и 4 мкг к основным легколетучим органическим соединениям. Так, химический сенсор с малой массой гидроксиапатита наиболее селективен к парам метиламина, бензиламина, амилацетата, уксусной кислоты, а с большой массой гидроксиапатита к парам ацетона, пентанола, этанола, диэтиламина, амилацетата.

После 1000 актов сорбции-десорбции относительное изменение масс покрытий при нанесении минимальной (2,15 мкг) и максимальной (4,03 мкг) массы гидроксиапатита Cа₅(PO₄)₃OH не превышает 2-5 %.

Изменение природы растворителя (замена ацетона на хлороформ, толуол, спирты, воду) не позволяет получить однородную устойчивую мелкодисперсную суспензицию. Нанесение фазы гидроксиапатита другой структуры (Cа₁₀(PO₄)₆(OH)₂) приводит к получению химических сенсоров с другими, менее приемлемыми эксплуатационными свойствами. Нанесение покрытия меньше 2 или более 4 мкг приводит к уменьшению чувствительности, сокращению времени жизни и невелированию селективности.

Достоинствами химического пьезокварцевого сенсора на основе гидроксиапатита является высокая стабильность во времени - большое время жизни (не менее 2 лет), высокая чувствительность по массе и регулируемая селективность определения легколетучих органических соединений.