Исследование нанокомпозитных тонкопленочных сенсорных материалов

В настоящее время растет потребность в экологическом мониторинге и промышленной безопасности, а, соответственно, и в экономичных, селективных и стабильных сенсорных системах, способных оперативно детектировать даже низкие концентрации токсичных компонентов. В работе представлены результаты исследования тонкопленочных сенсорных материалов на основе биополимерных матриц из полисахаридов, модифицированных наночастицами AgI. Материалы предназначены для высокочувствительного определения аммиака в воздушной среде. Анализировали взаимосвязь между структурно-морфологическими характеристиками композитных пленок, содержащих наночастицы AgI, и их функциональными сенсорными свойствами по отношению к парам аммиака. Особое внимание уделяли изучению механизмов сенсорного отклика и влиянию морфологии поверхности на чувствительность материала. Методами атомно-силовой микроскопии и электрофизическими измерениями установлено, что введение наночастиц AgI приводит к значительной модификации поверхности пленок — формированию развитого рельефа с агломератами наночастиц (размер 50 – 200 нм), пористой структурой и увеличенной удельной поверхностью (шероховатость возрастает в 3 – 5 раз). Показано, что такие морфологические изменения существенно повышают чувствительность материала к аммиаку вследствие увеличения площади активных центров адсорбции. Детектирование аммиака происходит благодаря обратимой реакции комплексообразования между ионами Ag⁺ и молекулами NH₃, что приводит к изменению проводимости композита. Установлены высокие динамические характеристики сенсора (время отклика не превышает 8 с при концентрации NH₃ 50 ppm, а время восстановления составляет около 30 с). Кроме того, разработанные материалы обладают селективностью к аммиаку при наличии потенциальных интерферентов (CO₂, H₂O, летучих органических соединений). Полученные результаты могут быть использованы при создании нового поколения газовых сенсоров.

1. Галкина Е. М., Смирнова Т. А., Кривошеева Е. М. и др. Динамика некоторых биофизических параметров кожи под воздействием хитозансодержащего гидрогеля / Саратовский научно-медицинский журнал. 2017. Т. 13. № 3. С. 616 – 620.

2. Ибадуллаева С. Ж., Джамалова У. М., Расулова С. С. и др. Амперометрические мультиферментные биосенсоры: разработки и применение (краткий обзор) / Биофизика. 2019. Т. 64. № 5. С. 869 – 882. DOI: 10.1134/s0006302919050065

3. Kurlyandskaya G. V., Fernández E., Safronov A. P., et al. Magnetic nanoparticles obtained by electrophysical technique: focus on biomedical applications / Phys. Solid State. 2021. Vol. 63. No. 10. P. 1447 – 1461. DOI: 10.1134/s1063783421090237

4. Шамратова В. Г., Шарафутдинова В. А., Хисматуллина З. Р. и др. Сравнительная оценка влияния ультрадисперсных систем на основе комплексов хитозана и его производных с коллоидными частицами йодида серебра на структурно-функциональные свойства эритроцитов / Биомедицина. 2015. № 3. С. 69 – 77.

5. Akitoye A., Tochi N., Akinbulu I., et al. Chitosan nanocomposites-based electrochemical sensors: a review / Sensors. 2024. Vol. 24. No. 1. P. 14. DOI: 10.3390/sensors2401014

6. Щемелев И. С., Зиновьев Н. А., Иванов А. В. и др. Сенсорный гранулированный материал на основе импрегнированного композита «сшитый поливиниловый спирт – магнетит» для определения углеводов методом оптической микрометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 6. С. 5 – 14. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-6-5-14

7. Выборный А. Ю., Шувалова О. А., Зяблов А. Н., Као Н. Л. Применение пьезоэлектрических сенсоров для определения аспартама в жидких средах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 7. С. 27 – 31. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-7-27-31

8. Han E., Pan Y., Li L., et al. Development of sensitive electrochemical sensor based on chitosan/MWCNTs-AuPtPd nanocomposites for detection of bisphenol A / Chemosensors. 2023. Vol. 11. No. 6. P. 331. DOI: 10.3390/chemosensors11060331

9. Prikhozhdenko E., Lengert E., Parakhonskiy B., et al. Biocompatible chitosan nanofibers functionalized with silver nanoparticles for SERS based detection / Acta Phys. Pol. A. 2016. Vol. 129. No. 2. P. 247 – 249. DOI: 10.12693/aphyspola.129.247

10. Gong L., Dai H., Zhang S., Lin Y. Silver iodide-chitosan nanotag induced biocatalytic precipitation for self-enhanced ultrasensitive photocathodic immunosensor / Anal. Chem. 2016. Vol. 88. No. 11. P. 5775 – 5782. DOI: 10.1021/acs.analchem.6b00153

11. Sanap P., Hegde V., Ghunawat D., et al. Chitosan nanoparticle applications in dentistry: a sustainable biopolymer / Front. Chem. 2024. Vol. 12. P. 1362482. DOI: 10.22271/oral.2020.v6.i4b.1050

12. Ипатова В. С., Близнюк У. А., Борщеговская П. Ю. и др. Мониторинг концентрации летучих органических соединений в мясе говядины после радиационной обработки ускоренными электронами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 3. С. 12 – 23. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-3-12-23

13. Nandan K., Singh A. Health and safety measures associated with ammonium hydroxide exposure / Hazardous Chemicals. 2025. Vol. 34. P. 495 – 504. DOI: 10.1016/b978-0-12-824533-0.00025-6

14. Salikhov R. B., Zilberg R. A., Bulysheva E. O., et al. Nanocomposite thin-film structures based on a polyelectrolyte complex of chitosan and chitosan succinamide with SWCNT / Lett. Mater. 2023. Vol. 13. No. 2. P. 132 – 137. DOI: 10.22226/2410-3535-2023-2-132-137

15. Salikhov R. B., Mullagaliev I. N., Badretdinov B. R., et al. Effect of the morphology of films of polyaniline derivatives poly-2-[(2E)-1-methyl-2-butene-1-yl] aniline and poly-2-(cyclohex-2-en-1-yl) aniline on sensory sensitivity to humidity and ammonia vapors / Lett. Mater. 2022. Vol. 12. No. 4. P. 309 – 315. DOI: 10.22226/2410-3535-2022-4-309-315

16. Salikhov R. B., Ostaltsova A. D., Salikhov T. R., et al. Thin films of polyanilines and polymer nanocomposites for the development of chemical sensors / Euras. J. Phys. Funct. Mater. 2024. Vol. 8. No. 2. P. 58 – 70. DOI: 10.32523/ejpfm.2024080206

17. Yumalin T., Salikhov T., Mahato B., et al. CNT thin films based on epoxy mixtures: fabrication, electrical characteristics / Chim. Techno Acta. 2024. Vol. 11. No. 2. DOI: 10.15826/chimtech.2024.11.2.05

18. Latypova L. R., Andriianova A. N., Usmanova G. S., et al. Preparation and properties of β-CD/P(AM-co-AA) composite hydrogel by frontal polymerization of ternary deep eutectic solvent / Polymer Int. 2023. Vol. 72. No. 7. P. 664 – 670. DOI: 10.1002/pi.6523

19. Салихов Р. Б., Муллагалиев И. Н., Остальцова А. Д., Важдаев К. В. Создание и изучение композитных и нанокомпозитных тонкопленочных структур на основе SCTS с различными углеродсодержащими наполнителями для экологического мониторинга окружающей среды / Известия ТГУ. 2024. № 4. С. 12 – 24.

20. Салихов Р. Б., Остальцова А. Д., Салихов Т. Р., Муллагалиев И. Н. Нанокомпозитные полимерные тонкие пленки для сенсоров / Вестник Башкирского университета. 2024. Т. 29. № 2. С. 75 – 79.

21. Ota R., Nagayama K. Atomic force microscopy estimation of mechanical properties of tunneling nanotubes in cancer cells / Adv. Biomed. Eng. 2025. Vol. 14. P. 70 – 78. DOI: 10.14326/abe.14.70

22. Анкудинов А. Б., Алымов М. И., Зеленский В. А. и др. Определение характеристик пористости пикнометрическими методами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 2. С. 47 – 52. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-2-47-52

23. Винокуров Е. Г., Гайнетдинов Ч. Р., Графушин Р. В. и др. Исследование ключевых факторов для минимизации шероховатости химических покрытий сплавами Ni – P и Ni – Cu – P / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 2. С. 29 – 38. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-2-29-38

24. Fukuda S., Ando T. Astrocytes: new evidence, new models, new roles / Biophys. Rev. 2023. Vol. 15. No. 5. P. 1303 – 1333. DOI: 10.1007/s12551-023-01145-7

25. Luo K., Peng H., Zhang B., et al. Advances in carbon nanotube-based gas sensors: exploring the path to the future / Coord. Chem. Rev. 2024. Vol. 518. P. 216049. DOI: 10.1016/j.ccr.2024.216049

26. Tanaka K., Cheng G., Nakamura T., et al. NH3 gas sensors based on single-walled carbon nanotubes interlocked with metal-tethered tetragonal nanobrackets / ACS Appl. Nano Mater. 2024. Vol. 7. No. 11. P. 13417 – 13425. DOI: 10.1021/acsanm.4c01234

27. Blackburn T. J., Tyler S. M., Pemberton J. E. Optical spectroscopy of surfaces, interfaces, and thin films / Anal. Chem. 2022. Vol. 94. No. 2. P. 515 – 558. DOI: 10.1021/acs.analchem.1c05323

28. Watts K. E., Blackburn T. J., Pemberton J. E. Optical spectroscopy of surfaces, interfaces, and thin films: a status report / Anal. Chem. 2019. Vol. 91. No. 7. P. 4235 – 4265. DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00735

29. Kumar A., Wang Y., Zhang X., et al. Correlating surface growth of nanoporous gold with electrodeposition parameters to optimize amperometric sensing of nitrite / Sensors Actuators B: Chem. 2018. Vol. 263. P. 237 – 247. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.125

30. Song G., Wang Y., Tan D. A review of surface roughness impact on dielectric film properties / Mater. Today Comm. 2022. Vol. 33. P. 104876. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.104876