Способ формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок

Авторы патента:

G01N27/12 - твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой

B82B1 - Наноструктуры

Владельцы патента RU 2379669:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежская государственная технологическая академия" (RU)

Способ формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок характеризуется тем, что он предусматривает для формирования на электродах сорбционных покрытий использование суспензии углеродных нанотрубок в неполярных органических растворителях. Для приготовления суспензии взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см³ 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. Изобретение позволяет: 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 и уменьшить дрейф нулевого сигнала пьезосенсоров. 3 ил.

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.

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 см³ 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:

τ₁ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;

τ₂ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из полиэтиленгликольадипината;

τ_д1 - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;

τ_д2 - 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:

τ₁ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;

τ₂ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из тритона Х-100;

τ_д1 - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;

τ_д2 - 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:

τ₁ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок,

τ₂ - время срабатывания пьезосенсора с сорбционным покрытием из поливинилпирролидона;

τ_д1 - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из углеродных нанотрубок;

τ_д2 - время регенерации пьезосенсора с сорбционным покрытием из поливинилпирролидона.

Способ формирования на электродах пьезосенсоров сорбционных покрытий из углеродных нанотрубок реализуется следующим образом.

Готовят суспензию углеродных нанотрубок в неполярных органических растворителях, для чего взвешивают 1 мг углеродных нанотрубок, смешивают с 50 см³ 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.

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 см³ 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.

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 (τ₁=2 с) в 10 раз меньше времени срабатывания пьезосенсора с покрытием из полиэтиленгликольадипината (τ₂=20 с). Время регенерации пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ_д1=12 с) в 2,5 раза меньше времени регенерации пьезосенсора с покрытием из полиэтиленгликольадипината (τ_д2=30 с).

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 см³ 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.

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 (τ₁=4 с) в 5 раз меньше времени срабатывания пьезосенсора с покрытием из тритона Х-100 (τ₂=20 с). Время регенерации пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ_д1=12 с) в 3,3 раза меньше времени регенерации пьезосенсора с покрытием из тритона X100 (τ_д2=40 с).

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 см³ 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.

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 (τ₁=4 с) в 5 раз меньше времени срабатывания пьезосенсора с покрытием из поливинилпирролидона (τ₂=20 с). Время регенерации пьезосенсора с покрытием из углеродных нанотрубок (τ_д1=6 с) в 3,7 раза меньше времени регенерации пьезосенсора с покрытием из поливинилпирролидона (τ_д2=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.

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 см³ неполярного органического растворителя и диспергируют в течение 2-3 мин 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 мин, 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.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к сенсорам концентрации газов, и предназначен для определения концентрации газов, преимущественно аммиака, этанола, ацетона, и может быть использован для медицинской диагностики, для экологического мониторинга в химической, нефтехимической, металлургической, холодильной, электронной, автомобильной и некоторых других отраслях промышленности.

Способ селективного определения ацетона в воздухе // 2377551

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано в медицинской диагностике, в химической промышленности, а также для экологического мониторинга для селективного определения концентрации ацетона в воздухе.

Пьезогравиметрический сенсор концентрации толуола // 2376590

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к пьезогравиметрическим сенсорам состава газов, и может быть использовано при определении концентрации толуола в парогазовых смесях в химической, нефтехимической промышленности и других областях для экологического мониторинга.

Портативное проточное устройство для анализа жидких фаз // 2367938

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано при создании быстродействующих переносных портативных приборов для обнаружения и идентификации химических веществ в жидких фазах, в частности при проведении экологического и токсикологического контроля и мониторинга.

Датчик влажности и способ его изготовления // 2365908

Изобретение относится к средствам контроля влажности воздуха. .

Способ определения микроконцентраций аммиака // 2363943

Изобретение относится к определению содержания аммиака в газовых, жидких и твердых средах. .

Способ измерения содержания водорода в криогенной вакуумной теплоизоляции // 2362991

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам определения содержания водорода в условиях вакуума, и может быть использовано в криогенной технике при транспортировке и хранении водорода.

Способ и устройство определения наличия и химического состава вещества // 2362990

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к средствам для определения месторасположения различных веществ. .

Датчик для определения лабораторных загрязнений // 2360238

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано, например, для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений.

Твердотельный газовый сенсор (варианты) // 2360237

Изобретение относится к устройствам для контроля параметров газовых сред, а именно к чувствительным элементам газоанализаторов, и может быть использовано для обнаружения и определения концентраций таких горючих и токсичных газов, как Н2, СО, С nН2n+2, Н2S, SO2, паров С2Н5ОН и других, в горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической промышленностях, экологии и других отраслях деятельности.

Устройство оптической антенны для оптических интегральных схем (варианты) и оптическая (фотонная) интегральная схема (варианты) // 2379629

Изобретение относится к области нанотехнологии. .

Гибкий элемент защитного пакета и защитный пакет с гибкими элементами для средств индивидуальной защиты от пуль, осколков и колющих предметов // 2379616

Способ визуализации изображений и устройство для его реализации // 2378673

Изобретение относится к области информационных технологий. .

Жидкокристаллический дисплейный элемент с проводящими слоями, обработанными поверхностной электромагнитной волной // 2378671

Изобретение относится к области записи-считывания оптической информации. .

Способ и устройство для улучшенного наноспектроскопического сканирования // 2378627

Изобретение относится к области наноспектроскопического сканирования. .

Магниторезистивный пороговый наноэлемент // 2377704

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом.

Катализатор для дегидрирования изопентана и изопентанизоамиленовых фракций и способ его получения // 2377066

Изобретение относится к области органической химии и нефтехимии, в частности к разработке и использованию катализаторов. .

Ячейка памяти со структурой проводящий слой-диэлектрик-проводящий слой // 2376677

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к устройствам памяти, реализуемым с помощью методов микро- и наноэлектроники. .

Композитные материалы, содержащие пфта и нанотрубки // 2376403

Изобретение относится к композитному материалу в виде волокон, пленок и других формованных изделий, содержащему поли-п-фенилентерефталамид (ПФТА) и нанотрубки. .

Способ биоцидной обработки кожевенного полуфабриката // 2375510

Изобретение относится к химической технологии волокнистых материалов, в частности к биоцидной обработке кожевенных полуфабрикатов. .

Оптический наногенератор // 2379728

Изобретение относится к средствам вычислительной техники