Сенсорные слои полиметилметакрилата для емкостных датчиков анализа содержания катионов тяжелых металлов в воде

Представлены результаты применения покрытий полиметилметакрилата для разработки емкостных датчиков анализа содержания тяжелых металлов в воде (на примере ионов Ni²⁺). Методом атомно-силовой микроскопии исследованы структурно-морфологические характеристики сформированного проводящего никелевого слоя и наноструктурированных пленок полиметилметакрилата. На основании анализа зависимости емкостных характеристик исходного сенсора от частоты при различной концентрации ионов Ni²⁺ установлены рабочие характеристики датчика: время отклика – 5 мин; рабочий диапазон концентраций ионов Ni²⁺: 1 ⋅ 10^–3–50 мМ; нижний предел обнаружения ≈ 0,06 мг/л. Показано, что формирование на проводящем слое никеля покрытия полиметилметакрилата методом спин-коутинга увеличивает срок службы сенсора до восьми циклов с сохранением уровня чувствительности датчика.

1. Ferrari, V. Printed thick-film capacitive sensors / V. Ferrari, M. Prudenziati // Printed Films: Materials Science and Applications in Sensors, Electronics and Photonics. – Woodhead Publishing Limited, 2012. – P. 193–220. https://doi.org/10.1533/9780857096210.2.193

2. Capacitive sensor system for measurement of temperature and humidity / B. Oertel [et al.] // Fresenius J. Anal. Chem. – 1994. – Vol. 349. – P. 391–393. https://doi.org/10.1007/BF00326605

3. Capacitive sensor based on molecularly imprinted polymers for detection of the insecticide imidacloprid in water / S. El-Akaad [et al.] // Sci. Rep. – 2020. – Vol. 10. – P. 14479. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71325-y

4. Paper-based capacitive sensors for identification and quantification of chemicals at the point of care / J. Hu [et al.] // Talanta. – 2017. – Vol. 165. – P. 419–428. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.12.086

5. Bindra, P. Capacitive gas and vapor sensors using nanomaterials / P. Bindra, A. Hazra // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. – 2018. – Vol. 29. – P. 6129–6148. https://doi.org/10.1007/s10854-018-8606-2

6. Molecularly Imprinted Polymers for Chemical Sensing: A Tutorial Review / N. Leibl [et al.] // Chemosensors. – 2021. – Vol. 9, № 6. – P. 123–141. https://doi.org/10.3390/chemosensors9060123

7. Jin Mei, C. A review on the determination heavy metals ions using calixarene-based electrochemical sensors / C. Jin Mei, S. Ainliah Alang Ahmad // Arab. J. Chem. – 2021. – Vol. 14, iss. 9. – P. 103303. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2021.103303

8. Novel synthetic phytochelatin-based capacitive biosensor for heavy metal ion detection / I. Bontidean [et al.] // Biosens. and Bioelectron. – 2003. – Vol. 18, N 5-6. – P. 547–553. https://doi.org/10.1016/s0956-5663(03)00026-5

9. Flexible sensors platform for determination of cadmium concentration in soil samples / M. Radovanović [et al.] // Comput. Electron. Agr. – 2019. – Vol. 166. – P. 105001. https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.105001

10. Capacitive sensor based on GaN honeycomb nanonetwork for ultrafast and low temperature hydrogen gas detection / H. Yu [et al.] // Sens. Actuators, B. – 2021. – Vol. 346. – P. 130488. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130488

11. Broad-Range Hydrogel-Based pH Sensor with Capacitive Readout Manufactured on a Flexible Substrate / K. Hammarling [et al.] // Chemosensors. – 2018. – Vol. 6, № 3. – P. 30. https://doi.org/10.3390/chemosensors6030030

12. A dielectric coating for improved performance of capacitive sensors in all-polymer microfluidic devices / C. Offenzeller [et al.] // Microelectron. Eng. – 2020. – Vol. 223. – P. 111220. https://doi.org/10.1016/j.mee.2020.111220

13. Igreja, R. Dielectric response of interdigital chemocapacitors: The role of the sensitive layer thickness / R. Igreja, C. J. Dias // Sens. Actuators, B. – 2006. – Vol. 115, № 1. – P. 69–78. https://doi.org/10.1016/j.snb.2005.08.019

14. Sensitive detection of heavy metal ions: An electrochemical approach / H. Patil [et al.] // Int. J. Mod. Phys. B. – 2018. – Vol. 32, № 19. – P. 1840042. https://doi.org/10.1142/s0217979218400428

15. A Sensitive Impedimetric Sensor Based on Biosourced Polyphosphine Films for the Detection of Lead Ions / T. Chabbah [et al.] // Chemosensors. – 2020. – Vol. 8, № 2. – P. 34. https://doi.org/10.3390/chemosensors8020034

16. Kholimatussadiah, S. A portable and low-cost parallel-plate capacitor sensor for alkali and heavy metal ions detection / S. Kholimatussadiah, T. A. Prijo // J. Adv. Dielectr. – 2018. – Vol. 8, № 4. – Art no. 1850026. https://doi.org/10.1142/s2010135x18500261

17. Effect of film thickness and different electrode geometries on the performance of chemical sensors made of nanostructured conducting polymer films / N. K. L. Wiziack [et al.] // Sens. Actuators, B. – 2007. – Vol. 122, iss. 2. – P. 484–492. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.06.016

18. Тонкие композиционные пленки полиметилметакрилата с наночастицами диоксида кремния / Д. В. Сапсалёв [и др.] // Журн. Белорус. гос. ун-та. Химия. – 2021. – № 2. – С. 36–49. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2021-2-36-49