ИСТИНА

Проект направлен на разработку системы искусственного обоняния на основе высокочувствительных газовых сенсоров с пульсирующим нагревом для детектирования низких (sub-ppm) концентраций летучих органических соединений (VOCs) в выдыхаемом воздухе и парогазовой смеси над биологическими объектами. Периодическое изменение температуры чувствительного слоя позволит реализовать максимальную адсорбцию молекул при низкой температуре и полное взаимодействие с чувствительным слоем при высокой температуре, что обеспечит существенное повышение газовой чувствительности и увеличение воспроизводимости сенсорного отклика.

The project is aimed at developing an artificial olfaction system based on highly sensitive gas sensors with pulse heating for detecting low (sub-ppm) concentrations of volatile organic compounds (VOCs) in exhaled air and vapor-gas mixture over biological objects. Periodic changes in the temperature of the sensitive layer will allow maximum adsorption of molecules at low temperature and full interaction with the sensitive layer at high temperature that will provide a significant increase in gas sensitivity and improve the reproducibility of the sensor response.

1. Будут разработаны методики синтеза и получены высокодисперсные порошки чувствительных материалов, включающие: (i) полупроводниковый оксид SnO2, In2O3, ZnO или WO3; (ii) добавки оксидов переходных металлов Fe2O3, NiO, La2O3, MoO3, V2O5; (iii) каталитические добавки металлов платиновой группы или золота. 2. Для всех синтезированных материалов будет получена информация о фазовом и элементном составе, кристаллической структуре, морфологии, размерах кристаллитов и пор, концентрации и размере каталитических кластеров на поверхности и величине удельной площади поверхности. Для всех материалов будет определено влияние температуры пост-синтетического отжига и пульсирующего нагрева на параметры микроструктуры, состав, состояние поверхности и электрофизические свойства. Будут определены закономерности адсорбции и десорбции целевых VOCs, определены продукты реакций окисления VOCs на поверхности полупроводниковых оксидов, определена роль преобладающих активных центров на поверхности и предложена модель взаимодействия синтезированных материалов с органическими молекулами в условиях пульсирующего нагрева. 3. Будет получена информация об основных сенсорных параметрах (предел обнаружения, пропорциональность сенсорного сигнала концентрации аналита и погрешность определения концентрации VOCs, долговременная стабильность, селективность, время отклика и возврата в исходное состояние) синтезированных материалов в условиях пульсирующего нагрева при использовании аттестованных газовых смесей и источников микропотоков. Будет разработана методика детектирования целевых VOCs в режиме пульсирующего нагрева с использованием проб выдыхаемого воздуха и парогазовой смеси над биологическими образцами лабораторных животных. 4. Будет спроектировано и изготовлено электромеханическое устройство (в том числе с использованием технологии 3D печати), обеспечивающее воспроизводимый отбор альвеолярного воздуха. 5. Будут разработаны методики анализа целевых VOCs в пробах выдыхаемого воздуха и парогазовой смеси над биологическими образцами лабораторных животных методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии с предварительным микросорбционным концентрированием. 6. Будут получены результаты тестирования прототипов мультисенсорной системы при детектировании целевых VOCs при использовании аттестованных газовых смесей и источников микропотоков, на реальных образцах выдыхаемого воздуха и парогазовой смеси над биологическими образцами лабораторных животных, а также с использованием проб альвеолярного воздуха добровольцев. Правильность определения целевых VOCs будет подтверждена методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии. Выполнение проекта будет способствовать повышению надежности мультисенсорных систем за счет значительного повышения чувствительности, селективности и стабильности полупроводниковых сенсорных элементов, снижения реакции на помехи за счет использования пульсирующего нагрева и алгоритмов сбора данных и обработки сенсорного сигнала, адаптированного пробоотбора, контроля правильности получаемых результатов анализа. Новые подходы позволят понизить пределы обнаружения аналитов методом газовой хроматографии/масс-спектрометрии в выдыхаемом воздухе и других биологических объектах, что важно для диагностических исследований состояния здоровья человека, а также для контроля правильности результатов, полученных с помощью мультисенсорной системы. Проект предоставит дополнительные возможности для развития персонифицированной медицины.

Лаборатория химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов химического факультета МГУ имеет большой опыт в области создания полупроводниковых материалов для газовых сенсоров. Основным направлением научных исследований является разработка сложных высокодисперсных оксидных материалов для высокочувствительных и селективных газовых сенсоров. В научной группе накоплен значительный опыт в разработке методов синтеза высокодисперсных полупроводниковых материалов с контролируемыми морфологией, параметрами микроструктуры, составом, пространственным распределением компонентов. Разработаны методы объемного легирования полупроводниковых оксидов и модификации их поверхности каталитически активными кластерами различного размера и химической природы. Разработаны методики определения природы и концентрации активных центров на поверхности с использованием методов термического анализа, термопрограммируемой десорбции зондовых молекул (ТПД) с масс-спектральным анализом газообразных продуктов, термопрограммируемого восстановления (ТПВ), электронного парамагнитного резонанса. Разработаны методики исследования процессов взаимодействия сенсорных материалов с различными газами в условиях «operando» методами спектроскопии ИК и комбинационного рассеяния, зонда Кельвина. Разработана методика нанесения чувствительного материала на микроэлектронный чип. Активность лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов направлена на разработку мультисенсорных систем на основе полупроводниковых сенсорных элементов с различными катализаторами и фотосенсибилизаторами, а также активными/пассивными фильтрами. Разрабатываемый подход сочетает динамический температурный режим измерений сигнала и математические алгоритмы обработки данных, что позволяет определять концентрацию компонентов в многокомпонентных смесях. Работа в этом направлении ведется в кооперации с лабораторией адаптивных методов анализа НИИЯФ МГУ.