Вчені з Канади та Німеччини створили паперовий сенсор, чутливий до наявності в повітрі концентрацій вуглекислого газу менше шести одиниць мільйонних часток. Під дією вуглекислоти, яка виходить при взаємодії CO2 і води, флуоресціюючі органічні молекули на сенсорі протонувалися. Спектр флуоресценції цієї речовини зсувається пропорційно концентрації вуглекислого газу, з чого можна зробити висновок про його вміст в аналізованому повітрі. Результати дослідження опубліковані в.
Тривалий моніторинг концентрації вуглекислого газу в повітрі часто необхідний для забезпечення безпечних умов праці, застосовується в розумних будівлях, а також важливий для деяких лабораторних досліджень. Для цього часто використовують сенсори, засновані на поглинанні інфрачервоного випромінювання або електрохімічні датчики, засновані на зміні опору матеріалу або струму в ньому. Більш дешевою і простою альтернативою їм можуть стати паперові сенсори, просочені флуоресцентною речовиною.
Один з подібних методів детектування заснований на реакції вуглекислого газу з аміногрупою флуоресцентного барвника - утворюються карбамати, що призводить до гасіння або зсуву спектра флуоресценції. Також можна судити про концентрацію діоксиду вуглецю з його взаємодії з депротонованими аміногрупами флуоресціюючих молекул. Крім того, діоксид вуглецю можна визначити за кількістю вуглекислоти, яка утворюється при контакті вуглекислого газу і води. Взаємодіючи з чутливим до кислотності середовища флуоресцентним барвником, вугільна кислота змінює його колір або інтенсивність флуоресценції.
Хуей Ван (Hui Wang) з колегами з Альбертського університету нанесли на паперову матрицю чутливу до зміни кислотності флуоресцентну речовину і протестували отриманий газовий сенсор на діоксид вуглецю. Вчені опускали папір у спиртовий розчин хромофора біс- (4-пиридил) -динеопентоксил-п-фенілен-ді-вінілена (Np-P4VB), флуоресцентний спектр якого залежить від кислотності середовища, і давали їй висохнути. Здатність отриманого сенсора визначати вміст CO2 перевірили, пропускаючи через нього суміш вуглекислого газу, азоту і водяної пари і вимірюючи в реальному часі спектр його флуоресценції за допомогою мініатюрного спектрометра. Автори також перевірили, як працює сенсор для аналізу більш складних газових сумішей - атмосферного і видихуваного повітря.
Коли атоми азоту в молекулі Np-P4VB протонувалися під дією вуглекислоти, спектр флуоресценції з синьо-зеленого пропорційно зміщувався до помаранчевого, з чого дослідники робили висновок про вміст вуглекислого газу в аналізованій газовій суміші.
На папері хромофор з часом вицвітав, що вело до зниження інтенсивності флуоресценції, але автори враховували це, розраховуючи концентрації по співвідношенню інтенсивностей флуоресценції на різних довжинах хвиль. Фоновий сигнал датчика склав менше десятої частки відсотка, а час відгуку - близько однієї хвилини. Дослідники експериментально показали можливість визначення концентрації вуглекислого газу в 100 ppm (мільйонних часток), а розрахована межа виявлення склала менше шести мікрограм на грам повітря.
Автори роботи стверджують, що з одного мілілітра розчину хромофора можна зробити безліч таких паперових сенсорів, їх виробництво дешево і не вимагає застосування складних технологій. За їх словами, датчик може стати в нагоді для тривалого моніторингу вмістів діоксиду вуглецю, проте рекомендується стежити за їх старінням в реальних умовах. Також дослідники підсумовують, що сенсор вимагає подальших удосконалень у виробництві та тестуванні для підвищення стабільності значень відгуку від зразка до зразка.
Ускладнення геометричних параметрів сенсорів може дозволити вирішувати і більш складні аналітичні завдання. Так, створення мікрофлюїдного пристрою з паперу дозволило вченим створити чіп, здатний з високою точністю (98 відсотків) діагностувати малярію.