Fluorescencijos spalvos pokyčio organinių garų jutiklio maketas

Tikslinė funkcija ir taikymų sritis.

Chemijos pramonėje aktyviai naudojamų organinių junginių (tetrahidrofurano, metanolio, tolueno, chloroformo, dimetilformamido ir kt.) garai pasižymi neigiamu poveikiu žmogaus sveikatai. Įkvėptos net ir nedideliais kiekiais, šios medžiagos gali sukelti apsvaigimą, sąmonės netekimą ar sutrikdyti motoriką ar audiovizualinius pojūčius. Apsinuodijimas didesniais šių junginių garų kiekiais gali būti mirtinas. Taip pat nustatytas šių medžiagų kancerogeninis poveikis. Siekiant perspėti apie šių garų patekimą į aplinką, vieni perspektyviausių šioje srityje yra organiniai fluorescenciniai jutikliai, kadangi jiems būdingas didelis jautris, greitas atsakas, plika akimi stebimas signalas ir maži gamybos kaštai.

Monomerų-eksimerų fluorescencijos spalvos pokyčio organinių garų jutiklio schema.

1 pav. pateikiamas maketas organinio fluorescencinio jutiklio gebančio perspėti apie organinių junginių (tetrahidrofurano, metanolio, tolueno, chlororoformo ir kt.) garus aplinkoje. Organinių garų aptikimui naudojamas divinilbenzeno darinio amorfinis sluoksnis. 365 nm bangos ilgio šviestuko spinduliuote selektyviai sužadiname molekulines būsenas, kurios spinduliuoja mėlyname spektro ruože. Fluorescencijos pokytį, vykstant organinių garų detektavimui galima stebėti plika akimi arba standartine spektrinės analizės sistema.

1 pav. Fluorescencinio organinių garų jutiklio maketas. Sudedamosios dalys: 1 – UV šviestukas (365 nm); 2 – divinilbenzeno darinio amorfinis sluoksnis; 3 – stebėtojas; 4 – spektrinės analizės sistema.

Dėl organinių garų poveikio keičiasi sluoksnio morfologija ir mėlynoji molekulių spinduliuotė virsta žaliąja eksimerų fluorescencija. Toks staigus spalvos pokytis lengvai stebimas net plika akimi. Organinius garus tokiu būdu galima aptikti, net kai jų santykis su oro molekulėmis siekia 1:100. Kuriant jutiklio prototipą galima ženkliai atpiginti detekcijos schemą ir supaprastinti jutimo procedūras, optimizuojant jutiklio kainos ir funkcijos savybes.

Jutiklio veikimo principas.

Šio organininių garų detektoriaus veikimo principas remiasi organinio 1,4 – divinilbenzeno darinio unikaliomis fotofizikinėmis savybėmis. Jo struktūra pateikta 2 pav. Divinilbenzeno darinių kamiene esantys nitrilo ir pirazolo fragmentai bei šoninės alkilinės grupės lemia ypatingą molekulių pakavimąsi susidarant agregatams, ko pasekoje pavienių molekulių arba amorfinio sluoksnio spektras skiriasi nuo agregatų.

2 pav. Divinilbenzeno darinio molekulinė struktūra

Amorfiniai sluoksniai (žiūr. 3 pav., a), c)), pagaminti specialia technologija, išsiskiria silpna tarpmolekuline sąveika ir mėlynąja spinduliuote, artima pavienėms molekulėms. Dėl unikalios cheminės sandaros šis divinilbenzeno darinys su nitrilo grupėmis lengvai keičia kietojo kūno morfologiją, esant išoriniam poveikiui. Dėl organinių garų poveikio sluoksnyje įvyksta molekulių agregacija, nulemianti autolokalizuotųjų eksitonų būsenas išsiskiriančias ženkliu Stokso poslinkiu (žiūr. 3 pav., b), d)). Šie kietųjų sluoksnių molekulinių būsenų spektriniai pokyčiai įgalina organinių garų ekspress detekciją.

3 pav. plono sluoksnio nepaveikto ir 2 min paveikto THF garais nuotraukos žadinant 365 nm bangos ilgio spinduliuote (atitinkamai a) ir b)) bei fluorescenciniu mikroskopu darytos nuotraukos (atitinkamai c) ir d)).

Molekuliniai ir eksimerų fluorescencijos spektrai pavaizduoti 4 pav. Stebimas 50 nm raudonasis fluorescencijos smailių poslinkis yra lengvai fiksuojamas vizualiai. Standartinės spektroskopinės įrangos panaudojimas jutimo schemoje įgalina padidinti atpažinimo jautrį.

4 pav. Sugerties ir fluorescencijos spektrai nepaveiktame divinilbenzeno darinio sluoksnyje ir paveikus jį THF garais.

Jutiklio schema aprobuota moksliniame straipsnyje aukšto reitingo žurnale K.KAZLAUSKAS, G.KREIZA, E.ARBAČIAUSKIENĖ, A.BIELIAUSKAS, V.GETAUTIS, A.ŠAČKUS, S.JURŠĖNAS, „Morphology and Emission Tuning in Fluorescent Nanoparticles Based on Phenylenediacetonitrile“, The Journal of Physical Chemistry C, 118, 25261-25271 (2014) (IF=4,83).