СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НА ЭЛЕКТРОДАХ ПЬЕЗОСЕНСОРОВ СОРБЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
METHOD FOR FORMATION OF SORPTION COATS OF CARBON NANOTUBES ON ELECTRODES OF PIEZO-SENSORS

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для изготовления пьезосенсоров с сорбционными покрытиями из углеродных нанотрубок.
Технической задачей изобретения является разработка способа формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок, позволяющего формировать сорбционные покрытия пьезосенсоров, характеризующихся коротким временем срабатывания и регенерации, малым дрейфом нулевого сигнала.
3
Для решения технической задачи изобретения предложен способ формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок, характеризующийся тем, что он предусматривает для формирования на электродах сорбционных покрытий использование суспензии углеродных нанотрубок в неполярных органических растворителях, причем для приготовления суспензии взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см неполярного органического растворителя и диспергируют в течение 2-3 минут в ультразвуковой ванне с частотой 40 кГц и мощностью 60 Вт, затем пьезосенсоры с собственной частотой колебания 9-11 МГц закрепляют в держателях, погружают на 1-2 с в подготовленную суспензию углеродных нанотрубок, подвергают сушке при температуре 40-45°С в течение 5-6 минут, измеряют частоту колебаний пьезосенсора, полноту удаления свободного растворителя из покрытий контролируют по постоянству частоты колебаний пьезосенсоров, операцию нанесения углеродных нанотрубок из суспензии повторяют до тех пор, пока частота высушенного пьезосенсора с покрытием не будет ниже собственной частоты колебаний пьезосенсора на 4,2-5,3 кГц, при этом масса высушенного покрытия составляет 4-5 мкг.
Технический результат заключается в высокой скорости сорбции и десорбции и малом дрейфе нулевого сигнала пьезосенсоров за счет формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок.
Фиг.1 - Выходные кривые пьезосенсоров с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок (УНТ) и с покрытием из полиэтиленгликольадипината (ПЭГА) при детектировании толуола:
1
τ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;
2
τ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из полиэтиленгликольадипината;
д1
τ - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;
д2
τ - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из полиэтиленгликольадипината.
Фиг.2 - Выходные кривые пьезосенсоров с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок (УНТ) и с покрытием из тритона Х-100 при детектировании хлороформа:
1
τ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;
2
τ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из тритона Х-100;
д1
τ - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;
д2
τ - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из тритона Х-100.
Фиг.3 - Выходные кривые пьезосенсоров с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок (УНТ) и с покрытием из поливинилпирролидона (ПВП) при детектировании этанола:
1
τ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок,
2
τ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из поливинилпирролидона;
д1
τ - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;
д2
τ - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из поливинилпирролидона.
Способ формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок реализуется следующим образом.
3
Готовят суспензию углеродных нанотрубок в неполярных органических растворителях, для чего взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см неполярного органического растворителя и диспергируют в течение 2-3 минут в ультразвуковой ванне с частотой 40 кГц и мощностью 60 Вт, затем пьезосенсоры с собственной частотой колебания 9-11 МГц закрепляют в держателях, погружают на 1-2 с в подготовленную суспензию углеродных нанотрубок, подвергают сушке при температуре 40-45°С в течение 5-6 минут, измеряют частоту колебаний пьезосенсора, полноту удаления свободного растворителя из покрытий контролируют по постоянству частоты колебаний пьезосенсоров, операцию нанесения углеродных нанотрубок из суспензии повторяют до тех пор, пока частота высушенного пьезосенсора с покрытием не будет ниже собственной частоты колебаний пьезосенсора на 4,2-5,3 кГц, при этом масса высушенного покрытия составляет 4-5 мкг.
Способ формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок поясняется следующими примерами.
3
Пример 1. Для формирования на электродах пьезосенсора сорбционного покрытия из углеродных нанотрубок готовят суспензию углеродных нанотрубок в хлороформе, для чего взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см хлороформа и диспергируют в ультразвуковой ванне с частотой 40 кГц и мощностью 60 Вт в течение 2 минут, пьезосенсор с собственной частотой колебания 10,002381 МГц закрепляют в держателях, погружают на 1 с в суспензию углеродных нанотрубок, подвергают сушке при температуре 45°С в течение 5 минут, полноту удаления свободного растворителя из покрытий контролируют по постоянству частоты колебаний пьезосенсоров (дрейф не более 3 Гц/мин), измеряют частоту колебаний пьезосенсора, операцию повторяют 8 раз, после чего частота колебания высушенного пьезосенсора с покрытием становится равной 9,997985 МГц, а следовательно, ниже собственной частоты колебания пьезосенсора на 4,396 кГц, при этом масса высушенного покрытия составляет 4,1 мкг.
На фиг.1 приведены выходные кривые (зависимости сигналов пьезосенсоров (ΔF, Гц) от времени (τ, с))пьезосенсоров с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок, сформированным вышеописанным способом, и с покрытием из полиэтиленгликольадипината (масса покрытия 12 мкг), часто применяемого для модификации электродов пьезосенсоров. В качестве аналита выбрали, например, толуол.
1
2
д1
д2
Из графика (фиг.1) видно, что при детектировании толуола дрейф нулевого сигнала (0-40 с) у пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок меньше, чем у пьезосенсора с сорбционным покрытием из полиэтиленгликольадипината. Время срабатывания пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ=2 с) в 10 раз меньше времени срабатывания пьезосенсора с покрытием из полиэтиленгликольадипината (τ=20 с). Время регенерации пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ=12 с) в 2,5 раза меньше времени регенерации пьезосенсора с покрытием из полиэтиленгликольадипината (τ=30 с).
3
Пример 2. Для формирования на электродах пьезосенсора сорбционного покрытия из углеродных нанотрубок готовят суспензию углеродных нанотрубок в толуоле, для чего взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см толуола и диспергируют в ультразвуковой ванне с частотой 40 кГц и мощностью 60 Вт в течение 2 минут, пьезосенсор с собственной частотой колебания 10,002674 МГц закрепляют в держателях, погружают на 1с в суспензию углеродных нанотрубок, подвергают сушке при температуре 45°С в течение 5 минут, полноту удаления свободного растворителя из покрытий контролируют по постоянству частоты колебаний пьезосенсоров (дрейф не более 3 Гц/мин), измеряют частоту колебаний пьезосенсора, операцию повторяют 9 раз, после чего частота колебания высушенного пьезосенсора с покрытием становится равной 9,998285 МГц, а следовательно, ниже собственной частотоы колебания пьезосенсора на 4,389 кГц, при этом масса высушенного покрытия составляет 4,1 мкг.
На фиг.2 приведены выходные кривые (зависимости сигналов пьезосенсоров (ΔF, Гц) от времени (τ, с)) пьезосенсоров с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок, сформированным вышеописанным способом, и с покрытием из тритона Х-100 (масса покрытия 12 мкг), часто применяемого для модификации электродов пьезосенсоров. В качестве аналита выбрали, например, хлороформ.
1
2
д1
д2
Из графика (фиг.2) видно, что при детектировании хлороформа дрейф нулевого сигнала (0-40 с) у пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок меньше, чем у пьезосенсора с сорбционным покрытием из тритона Х-100. Время срабатывания пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ=4 с) в 5 раз меньше времени срабатывания пьезосенсора с покрытием из тритона Х-100 (τ=20 с). Время регенерации пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ=12 с) в 3,3 раза меньше времени регенерации пьезосенсора с покрытием из тритона X100 (τ=40 с).
3
Пример 3. Для формирования на электродах пьезосенсора сорбционного покрытия из углеродных нанотрубок готовят суспензию углеродных нанотрубок в бензоле, для чего взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см бензола и диспергируют в ультразвуковой ванне с частотой 40 кГц и мощностью 60 Вт в течение 2-3 минут, пьезосенсор с собственной частотой колебания 10,004378 МГц закрепляют в держателях, погружают на 1 с в суспензию углеродных нанотрубок, подвергают сушке при температуре 45°С в течение 5 минут, полноту удаления свободного растворителя из покрытий контролируют по постоянству частоты колебаний пьезосенсоров (дрейф не более 3 Гц/мин), измеряют частоту колебаний пьезосенсора, операцию повторяют 9 раз, после чего частота колебания высушенного пьезосенсора с покрытием становится равной 9,999987 МГц, а следовательно, ниже собственной частотоы колебания пьезосенсора на 4,391 кГц, при этом масса высушенного покрытия составляет 4,1 мкг.
На фиг.3 приведены выходные кривые (зависимости сигналов пьезосенсоров (ΔF, Гц) от времени (τ, с)) пьезосенсоров с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок, сформированным вышеописанным способом, и с покрытием из поливинилпирролидона (масса покрытия 12 мкг), часто применяемого для модификации электродов пьезосенсоров. В качестве аналита выбрали, например, этанол.
1
2
д1
д2
Из графика (фиг.3) видно, что при детектировании этанола дрейф нулевого сигнала (0-40 с) у пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок меньше, чем у пьезосенсора с сорбционным покрытием из поливинилпирролидона. Время срабатывания пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ=4 с) в 5 раз меньше времени срабатывания пьезосенсора с покрытием из поливинилпирролидона (τ=20 с). Время регенерации пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ=6 с) в 3,7 раза меньше времени регенерации пьезосенсора с покрытием из поливинилпирролидона (τ=22 с).
Способ осуществим. Возможно формирование на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий на основе углеродных нанотрубок.
Как следует из примера, предлагаемый способ позволяет достичь короткого времени срабатывания и регенерации, малого дрейфа нулевого сигнала пьезосенсоров за счет формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок, с применением суспензии углеродных нанотрубок в неполярных органических растворителях.
Изменение массы сорбционных покрытий на электродах пьезосенсоров, применение полярных растворителей для приготовления суспензий приводит к ухудшению аналитических характеристик пьезосенсоров.
Предложенный способ формирования сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок на электродах пьезосенсоров позволяет:
- использовать углеродные нанотрубки для формирования сорбционных покрытий пьезосенсоров;
- снизить время срабатывания пьезосенсоров (время срабатывания не превышает 5 секунд) за счет увеличения скорости сорбции;
- снизить время регенерации пьезосенсоров (время регенерации не превышает 15 секунд) за счет увеличения скорости десорбции;
- уменьшить дрейф нулевого сигнала пьезосенсоров. Аналоги изобретения не обнаружены.