Химический газовый сенсор на основе гидроксиапатита
CHEMICAL GAS SENSOR BASED ON HYDROXYAPATITES

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.
5
4
3
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 (Cа(PO)OH) 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)).
5
4
3
Техническим результатом изобретения является разработка химического сенсора на основе гидроксиапатита, изготовленный из пьезокварцевого резонатора ОАВ-типа, электроды которых покрыты нанодисперсной фазой гидроксиапатита  (Cа(PO)OH), 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.
5
4
3
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 Cа(PO)OH 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.
5
4
3
пл
пл
Для изготовления химического сенсора на основе гидроксиапатита применяется гидроксиапатит Cа(PO)OH, 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, которая должна составлять от 2-4 мкг, по известному уравнению Зауэрбрея: m = .
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.
5
4
3
После 1000 актов сорбции-десорбции относительное изменение масс покрытий при нанесении минимальной  (2,15 мкг) и максимальной  (4,03 мкг) массы гидроксиапатита  Cа(PO)OH не превышает 2-5 %.
10
4
6
2
Изменение природы растворителя (замена ацетона на хлороформ, толуол, спирты, воду) не позволяет получить однородную устойчивую мелкодисперсную суспензицию. Нанесение фазы гидроксиапатита другой структуры (Cа(PO)(OH)) 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.