Ивановские химики под руководством Александра Ксенофонтова разработали новый высокочувствительный сенсор для обнаружения паров ацетона. Ученые использовали свойство ацетона связываться с люминесцентными комплексами цинка и «тушить» их люминесценцию. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Fluorescence.
Обнаружение паров ацетона в воздухе — важная задача как для промышленности, так и для медицины: измерение количества ацетона в выдыхаемом воздухе используют для диагностики диабета и некоторых заболеваний печени. Кроме того, известно, что люди выдыхают больше ацетона, когда их организм сжигает жиры, поэтому в последние годы (особенно в связи с повальной модой на биохакерство и кетогенную диету) такие сенсоры привлекают внимание людей, желающих похудеть. В настоящее время используются сенсоры, которые сочетают в себе два метода определения — газовую хроматографию и масс-спектрометрию, поэтому они довольно сложны в производстве и эксплуатации.
Химики из Иваново создали принципиально новый сенсор, работа которого основана на явлении люминесценции, то есть способности некоторых химических веществ возвращать часть поглощенной энергии в виде излучения. Сенсор состоит из обычной целлюлозы, которую ученые спрессовали в небольшие «таблетки». Затем на пористую разветвленную поверхность таблеток нанесли чувствительный компонент сенсора — люминесцентный комплекс цинка. Сам процесс нанесения очень прост и не требует специальной аппаратуры: достаточно было просто на несколько часов «замочить» целлюлозную таблетку в растворе цинковых комплексов. Готовую таблетку с помощью световодов подключали к оптическому спектрометру и помещали в специальную емкость, в которой находилась анализируемая газовая смесь — пары циклогексана с примесью ацетона.
Обнаружить ацетон новому сенсору удается за счет его свойства химически связываться с комплексами цинка и входить в координационную сферу металла. Свечение цинковых комплексов обусловлено переходами электронов между энергетическими уровнями органических лигандов. Грубое «вторжение» молекул ацетона в координационную сферу комплекса разрушает порядок энергетических уровней (например, становятся возможны переходы с заполненной орбитали ацетона на свободные орбитали лигандов), поэтому происходит тушение люминесценции. Если затем заменить ацетоновую смесь на чистый воздух, люминесценция снова постепенно восстановится, то есть каждую таблетку можно использовать неограниченное число раз.
Процесс тушения оказался очень чувствительным к количеству ацетона в газовой смеси: количественно сравнивая величину люминесценции, ученые смогли засечь его количества вплоть до 1,68 миллиардной доли (в англоязычной литературе используют термин ppb, part per billion), в то время как наилучшие коммерческие фильтры сейчас показывают предел обнаружения в 0,14 миллионной доли (ppm, part per million). Это значит, что новый сенсор, скорее всего, будет хорошо работать в диапазоне, который важен для диагностики диабета, — около 1,8−2 миллионных долей, ведь эти значения значительно больше, чем демонстрируемый предел обнаружения.