Орындаған:Қолданбалы химия-41 тобының студенті Бекмаханова Аяжан
Тексерген:Машан Т.Т.
Газдық сенсорларда нанотүтікшелердің қолданылуы
Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Жаратылыстану ғылымдар факультеті
Химия кафедрасы
Химиялық сенсорлар:
Электрохимиялық сенсорлар: газдар немесе иондар сияқты белгілі бір химиялық заттарды анықтау үшін потенциал, ток немесе кедергі сияқты электрохимиялық параметрлердің өзгеруін өлшеу.
Оптикалық сенсорлар: химиялық қосылыстарды анықтау үшін сіңіру, шашырау немесе флуоресценция сияқты жарық қасиеттерін пайдалану.
Пьезоэлектрлік сенсорлар: химиялық өзгерістерді анықтау үшін механикалық кернеудегі өзгерістерді өлшеуге негізделген.
Газ датчиктері: газдың ағып кетуін анықтауға немесе ауа сапасын бақылауға арналған датчиктер сияқты қоршаған ортадағы газ концентрациясын анықтау үшін қолданылады.
Ферменттік сенсорлар: белгілі бір молекулалар мен химиялық реакцияларды нақты анықтау үшін ферменттерді қолдану.
Хроматографиялық сенсорлар: сұйық немесе газ хроматографиясы сияқты химиялық қосылыстарды бөлу әдістеріне негізделген, содан кейін бөлінген компоненттерді анықтайды.
Молекулалық сенсорлар: белгілі бір молекулаларды анықтау үшін антиденелер немесе полимерлер сияқты молекула пайдалану.
Биосенсорлар: биологиялық маркерлерді анықтау үшін ДНҚ, белоктар немесе жасушалар сияқты биологиялық компоненттерді химиялық сенсорлармен біріктіреді.
Қазіргі уақытта CNT негізіндегі газ датчиктерінің (датчиктерінің) бірнеше түрлері талқылануда:
резонанстық жиіліктің орын ауыстыруына негізделген газ датчиктері
Олардың әрекет етуінің негізгі принципі адсорбция болып табылады, онда адсорбцияланатын газ молекуласы нанотүтікшеден электрон береді немесе алады. Бұл CNT электрлік қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі, оларды тіркеуге болады. Бір қабатты және көп қабатты, сонымен қатар функционалды топтармен, металдармен, полимерлермен және металл оксидтерімен өзгертілген CNT негізіндегі таза CNT негізіндегі газ датчиктері бар
Газ датчиктерінде нанобөлшектерді қолданудың бірқатар артықшылықтары бар, өйткені наноматериалдар газды анықтаудың сезімталдығы мен селективтілігін айтарлықтай жақсарта алады. Нанобөлшектерді газ датчиктерінде қолданудың бірнеше әдісі:
Өткізгіштіктің өзгеруі: металл оксидтері сияқты нанобөлшектерді сенсорлық элементке қолдануға болады және газдармен әрекеттесу кезінде олардың өткізгіштігінің өзгеруі белгілі бір газдардың болуы немесе концентрациясының көрсеткіші бола алады.
Беттік плазмондық резонанстар: алтын немесе күміс нанобөлшектер сияқты нанобөлшектер газдармен әрекеттескенде SPR тудыруы мүмкін. Газдарды анықтау үшін нанобөлшектердің бетіндегі сыну көрсеткішінің өзгеруін қолдануға болады.
Сіңіру және флуоресценция: кейбір нанобөлшектер газдармен әрекеттескенде өзгеретін сіңіру және флуоресценция қасиеттеріне ие. Бұл өзгерістер анықтау үшін сигнал ретінде қызмет ете алады.
Нанобөлшектердің функционализациясы: нанобөлшектерді белгілі бір газдармен әрекеттесетін әртүрлі химиялық топтар функционализациялай алады, бұл селективті сенсорларды жасауға мүмкіндік береді.
Наноқұрылымды материалдар: нанотүтікшелер немесе наноөткізгіштер сияқты наноқұрылымды материалдардың беті үлкен және белсенділігі жоғары болуы мүмкін, бұл оларды газды анықтауға арналған тамаша материалдар етеді.
Бір қабатты CNT олардың бетіндегі газ молекулаларын адсорбциялау кезінде нанотүтікшелердің өткізгіш қасиеттерін өзгерту арқылы NO2, NH3 газдарына және кейбір ұшпа органикалық қосылыстарға сезімтал
Датчиктің қалпына келу уақыты CNT мен анықталатын газдар арасындағы үлкен байланыс энергиясына байланысты ~10 сағ болды. Бұл уақыт ультракүлгін сәулеленудің әсерінен 10 минутқа дейін қысқарды, бұл газ молекулаларының десорбциясын жеңілдетті
Сорбция нәтижесінде газды тіркегеннен кейін датчиктің қалпына келу уақытын азайту үшін сенсорлық датчиктерді қыздыру арқылы газдың десорбциясын жеделдету әрекеттері жасалады.
Электрохим газды сенсор:Хлор газы катод болып табылатын датчиктің бетінен өткізілді, нәтижесінде гальваникалық әсер байқалады, бұл бақылаулар болды. Нанотүтікшелер микроэлектрод ретінде пайдаланылды. Бұл сенсорды қалпына келтіру уақыты ~150 с болды.
Нанобөлшектерді пайдаланып газ датчиктерін жасау бірнеше қадамдарды қамтиды. Жалпы процесс:
Нанобөлшектерді таңдау: металл нанобөлшектері, металл оксидтері, Полимерлер және басқа материалдар кіруі мүмкін.
Нанобөлшектерді синтездеу
Нанобөлшектердің функционализациясы: Бұл сенсорларды таңдаулы етеді.
Сенсорлық элементті дайындау: нанобөлшектермен қапталған немесе біріктірілген негізгі материал болуы мүмкін сенсорлық элемент жасаңыз. Сенсорлық элемент әдетте газдардың әсеріне жауап беретін өзгермелі өткізгіштікке немесе оптикалық қасиеттерге ие.
Нанобөлшектерді қолдану: нанобөлшектерді тұндыру, бүрку немесе жабу арқылы сенсорлық элементке қолдануға болады.
Тестілеу және калибрлеу: жиналған газ сенсоры мұқият тексеріліп, нақты газ талдаулары үшін калибрленуі керек. Бұл оның сезімталдығы мен селективтілігін өлшеуді және анықтау шегін белгілеуді қамтиды.
Интеграция және пайдалану: сәтті тестілеуден кейін газ сенсорын ауа сапасын бақылау жүйесіне, бақылау процесіне немесе басқа қолданбаларға біріктіруге болады.
Сенсорлық элемент-физикалық немесе химиялық өзгерістерді өлшенетін сигналдарға тіркеуге және түрлендіруге жауап беретін сенсордың негізгі бөлігі.
Газ датчиктерінде нанобөлшектерді пайдалану сезімталдықты арттыруға, селективтілікті жақсартуға және анықтау шегін азайтуға мүмкіндік береді, бұл оларды ауа сапасын бақылаудың, қауіпсіздікті бақылаудың және газдың ластануын анықтауға қатысты басқа қолданбалардың тиімді құралы етеді.
Сонымен, CNT негізіндегі сорбциялық типтегі датчиктер жоғары сезімталдыққа ие, бірақ сонымен бірге бірқатар кемшіліктер бар:
адсорбциялық энергиясы төмен газдарды анықтау қабілетінің болмауы;
селективтіліктің болмауы;
нанотүтікшелердің сыртқы жағдайлардың өзгеруіне жоғары сезімталдығы (ылғалдылық, температура, газ ағынының жылдамдығы) ;
ұзақ жұмыс уақыты (ондаған секундтан бірнеше минутқа дейін);
сезімтал элементтің регенерациясының ұзақ уақыты (бір минуттан бірнеше сағатқа дейін);
CNT өткізгіштігінің мүмкін болатын қайтымсыз өзгерістері.
