Хотя раньше были разработаны другие оптические датчики газа, команда Массачусетского технологического института разработала чрезвычайно чувствительный и компактный способ обнаружения исчезающе малых количеств целевых молекул. Они описывают свой новый подход в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Исследователи изготовили фотонно-кристаллические резонаторы с масштабом длины волны из ПММА, недорогого и гибкого полимера, который набухает при контакте с целевым газом. Полимер пропитан флуоресцентным красителем, который избирательно излучает на резонансной длине волны полости посредством процесса, называемого эффектом Перселла.
В этом резонансе свет определенного цвета отражается назад и вперед несколько тысяч раз, прежде чем, в конечном итоге, просочиться. Спектральный фильтр обнаруживает этот небольшой сдвиг цвета, который может происходить даже при субнанометровом разбухании полости, и, в свою очередь, выявляет концентрацию газа.
"Эти полимеры часто используются в качестве покрытий на других материалах, поэтому их много и они безопасны в обращении. Из-за своей деформации под воздействием биохимических веществ сенсоры полости, полностью сделанные из этого полимера, позволяют получить сенсор с более быстрым откликом и гораздо более высокой чувствительностью », – сказала Ханна Клевенсон.
Клевенсон – аспирант кафедры электротехники и информатики Массачусетского технологического института, который руководил экспериментальной работой в лаборатории главного исследователя Дирка Инглунда.
PMMA можно обрабатывать так, чтобы он взаимодействовал с широким спектром различных целевых химических веществ, что делает конструкцию датчика группы MIT очень универсальной.
По словам Клевенсона, у датчика есть широкий спектр потенциальных применений, «от промышленных датчиков на крупных химических предприятиях для обеспечения безопасности, до определения состояния окружающей среды в полевых условиях, до приложений внутренней безопасности для обнаружения токсичных газов и медицинских учреждений, где полимер можно лечить от специфических антител."
Тонкие полимерные пленки ПММА, которые имеют толщину 400 нанометров, имеют структуру 8-10 микрометров в длину и 600 нанометров в ширину и подвешены в воздухе. В одном эксперименте пленки были заделаны на папиросную бумагу, что позволило подвешивать 80 процентов датчиков над воздушными зазорами в бумаге. По словам Клевенсона, окружение пленки ПММА воздухом важно как потому, что это позволяет устройству набухать при воздействии целевого газа, так и потому, что оптические свойства воздуха позволяют сконструировать устройство так, чтобы оно улавливало свет, перемещающийся в полимерной пленке.
Команда обнаружила, что эти датчики легко использовать повторно, поскольку полимер сжимается до своей исходной длины после удаления целевого газа.
Текущая экспериментальная чувствительность устройств составляет 10 частей на миллион, но команда предсказывает, что при дальнейшей доработке они смогут обнаруживать газы с уровнями концентрации части на миллиард.