Отклонение

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 15789 (2022 г.) Цитировать эту статью

884 Доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Учитывая серьезную опасность аномального уровня концентрации H2S как чрезвычайно токсичного газа для организма человека и неспособности обонятельной системы определять токсический уровень концентрации H2S, надежным, чувствительным, селективным и быстрым методом обнаружения H2S является предложено, и его эффективность анализируется посредством моделирования. Предлагаемая система основана на отклонении лазерного луча в ответ на изменение температуры на его пути. Для обеспечения селективности и повышения чувствительности в системе были использованы наноструктуры золота. Селективность была введена на основе взаимодействий тиол-золото, а чувствительность системы была повышена за счет модификации поведения плазмонного резонанса золотых наноструктур в ответ на адсорбцию газа. Результаты нашего анализа показывают, что по сравнению с Au и SiO2–Au структуры наноматрешки Au (Au–SiO2–Au) показали наибольшую чувствительность из-за более высоких отклонений лазерного луча.

Сероводород (H2S) представляет собой бесцветный, растворимый в воде, едкий, легковоспламеняющийся и чрезвычайно токсичный газ, имеющий запах «тухлых яиц». H2S широко вырабатывается в природе и промышленности, например, в горячих источниках, вулканических газах, сырой нефти, нефтехимической промышленности, производстве бумаги и утилизации отходов1,2,3,4,5. Многие исследования показали, что H2S в аномальных концентрациях оказывает серьезное неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Многочисленные нервные расстройства, такие как ишемический инсульт, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, синдром Дауна, могут возникнуть из-за аномальных уровней H2S2,3,6. Кроме того, H2S может влиять на сердечно-сосудистую систему из-за открытия АТФ-чувствительного калиевого канала, что приводит к расслаблению гладких мышц сосудов и снижению артериального давления3. Кроме того, H2S может сильно повлиять на глаза, кожу, дыхательную систему, а слизистые оболочки могут быть разрушены или воспалены7,8. H2S с концентрацией выше 250 ppm может привести к заражению крови и даже смерти1. В связи с этим, с учетом безопасности человека и окружающей среды, порог безопасного воздействия H2S, объявленный Американским национальным институтом безопасности и гигиены труда (NIOSH), составляет 10 частей на миллион в течение 8 часов9.

Органы обоняния человека способны ощущать H2S в концентрации 130 ppb с характерным запахом тухлого яйца, а в концентрации 83 ppb он взаимодействует с гемоглобином крови, оказывая разрушительное воздействие на здоровье человека5. Кроме того, небольшое повышение уровня H2S или длительное воздействие низких концентраций может вызвать аносмию3. Поэтому разработка и изготовление быстрой и надежной сенсорной платформы для обнаружения H2S в режиме реального времени на месте с высокой селективностью и чувствительностью является серьезной задачей1,3,8.

На сегодняшний день разработано множество стратегий обнаружения H2S, которые можно разделить на три основные категории; полупроводниковые оксиды металлов (SMO) (такие как ZnO, SnO2, In2O3)10, электрохимические11 и оптические датчики3,12. Среди различных типов оптических датчиков хорошо известны обнаружение на основе флуоресценции13, колориметрия14, рамановская спектроскопия с усилением поверхности (SRES)15 и спектрометрия УФ-видимого поглощения16. Несмотря на достижения в области обнаружения H2S за последние несколько лет, эти методы имеют определенные ограничения. Например, при мобильном мониторинге H2S с помощью датчиков на базе SMO основным ограничением является энергопотребление17. В случае электрохимических датчиков потенциальным ограничением является влияние влажности и температуры окружающей среды18. Хотя датчики на основе электрохимии способны в некоторой степени преодолеть ограничение зависимости от температуры и влажности, но высокие температуры мешают работе этих датчиков19. Несмотря на высокую чувствительность и селективность флуоресцентного сенсора, сложность синтеза меток и их долговечность ограничивают его применение6. Более того, методы обнаружения на основе колориметрии не обладают достаточной чувствительностью к газу H2S2.