Цветной сенсор быстро определяет ядовитые газы

Разноцветные квадраты на этом паттерне содержат наночастицы кремния, меняющие цвет в присутствии токсичных газов. Источник: Adapted from ACS Sensors 2025, DOI: 10.1021/acssensors.5c01026

Не все ядовитые газы имеют запах или цвет. Однако миниатюрная сетка из пастельных и ярких квадратов, способная «вынюхивать» опасные химические вещества в воздухе (например, высокотоксичный нервно-паралитический газ хлозарин), может помочь их обнаружить. Исследователи сообщают в журнале ACS Sensors, что цветные узоры их недорогого и долговечного бумажного сенсорного массива изменяются в присутствии ядовитых газов, позволяя проводить быстрые и точные измерения в течение нескольких минут.

Электронные носы (e-noses) — это устройства, обнаруживающие вредные химические пары. Однако их электронные компоненты могут быть дорогими и непрактичными для влажных сред. Оптоэлектронные носы могут решить эти проблемы, заменив электронику красителями, которые меняют цвет при реакции с определёнными химическими веществами.

Виджей Так и его коллеги разработали и протестировали новую конструкцию оптоэлектронного носа: массив сенсоров, обнаруживающих и измеряющих смертельно опасные газы. Каждый сенсор в массиве представляет собой крошечный бумажный квадрат, содержащий микроскопические частицы кремния, покрытые красителями, меняющими цвет и интенсивность после взаимодействия с определёнными молекулами или ионами.

В качестве доказательства концепции Так и исследовательская группа создали сенсоры, пропитав микрочастицы кремния 36 различными растворами цветоизменяющихся красителей. После высушивания они сформировали массив 12×3, поместив частицы в микролунки, накрыв их клейкой бумагой и перевернув пластину, чтобы частицы с красителем отпечатались на бумаге. Для структурной поддержки к обратной стороне бумаги прикрепили тонкий металлический лист.

Для проверки точности массива исследователи подвергли его воздействию 12 ядовитых газов в двух концентрациях каждый. Команда сравнила фотографии квадратов до и после пятиминутного воздействия газа, что позволило создать уникальные цветовые паттерны для идентификации типа и концентрации газа.

В повторных экспериментах сенсоры достигли 99% точности в определении типа химической угрозы и 96% точности в измерении концентрации. Дополнительные тесты подтвердили, что влажность не влияет на точность массива.

Стоимость производства одного массива оценивается в 20 центов (~16 рублей), что делает технологию доступной для мониторинга окружающей среды в реальных условиях. В дальнейшем команда планирует разработать портативный прототип оптоэлектронного носа для обнаружения опасных веществ на открытом воздухе.

Дополнительная информация: Rohit Shrivas et al, Simple and Cost-Effective Fabrication of Embossed Colorimetric Sensor Array for an Optoelectronic Nose via Integration of a Self-Adhesive Paper and Mesoporous Colorimetric Silica Microparticles, ACS Sensors (2025). DOI: 10.1021/acssensors.5c01026