1
Raport final
Proiect: Noi senzori bazaţi pe materiale compozite active obținute prin evaporare laser
asistată de o matrice pentru detecția compușilor organofosforici.
(SENSDETECT)
Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-0880
Etapa 1: Obținerea și caracterizarea straturilor polimerice active pentru detecția de
compuși organofosforici
Etapa 2: Optimizarea dispozitivului senzoristic heterostructuri hibride polimer - enzima
pentru detectia compusilor organofosforici
Perioada de desfasurare: August 2017– Decembrie 2018
Coordonator: Ministerul Apărării Naționale prin Centrul de Cercetare Științifică
Pentru Apărare CBRN și Ecologie - CCSACBRNE
Partenerul 1: Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Laserilor,
Plasmei și Radiației - INFLPR RA
Decembrie 2018
2
INTRODUCERE
În prezent, lumea se confruntă mai mult decât oricând cu ameninţarea armelor de
distrugere în masă. La apariţia sau la iminenţa unui astfel de atac, cele mai dificile probleme cu
care se confruntă factorii de decizie sunt determinarea naturii incidentului şi tipul de agenţi
utilizaţi.
Stadiul tehnic şi tehnologic actual, impun dezvoltarea de mijloace de detecţie
performante, cu funcţionare simplă şi sigură, uşor de mânuit şi care nu necesită o instruire foarte
complexă.
În prezent există o mare varietate de tehnici de detecţie a agenţilor chimici. Fiecare dintre
ele are anumite inconveniente, legate de limite, gabarit, timp de răspuns, sensibilitate la
interferenţi, timp pentru prepararea probelor, preţ.
Unul dintre cei mai cunoscuţi senzori pentru detecţia agenţilor chimici de luptă este
senzorul acustic de suprafaţă (SAW). Senzorul cu unde acustice de suprafaţă este preferat la
detectarea agenţilor chimici datorită avantajelor pe care le prezintă (sensibilitate ridicată,
stabilitate în timp, dimensiuni reduse, preţ scăzut).
Etapa I: Realizarea membranelor polimerice active si testarea răspunsului sub
influenta vaporilor de compuși organofosforici
În cadrul acestei etape, activitatea de cercetare a grupului de cercetare din INFLPR a fost
legată de elaborarea modelului experimental preliminar pentru depunerea de straturi active
polimerice complexe, necesare integrării în dispozitive senzoristice de detectare a compușilor
organofosforici.
Caracterizarea fizico-chimică a acestora, integrarea membranelor polimerice active într-un
dispozitiv de tip SAW- Surface Acoustic Wave precum și testarea răspunsului sub influența
vaporilor de compuși organofosforici au fost realizate în colaborare cu conducătorul de proiect,
Centrul de Cercetare Științifică pentru Apărare CBRN și Ecologie (CCSACBRNE).
Activitate I.1 Obținerea de straturi subțiri polimerice de PECH, PEI, PIB prin metoda
MAPLE secvențial
Ca o alternativă la tehnicile de depunere convenționale, Evaporarea Laser Pulsată Asistată de
o Matrice (MAPLE) s-a dovedit a fi o metodă atractivă pentru depunerea de filme subțiri
organice. Principiul de funcționare al tehnicii MAPLE de lucru este prezentat în figura 1. La
3
MAPLE, un material, de exemplu, un polimer sau biomolecule, este dizolvat într-un solvent în
concentraţii de 0.1-5%, iar amestecul rezultat este îngheţat la temperatura azotului lichid, în acest
fel rezultând o ţintă solidă. Un fascicul laser este focalizat pe ţinta îngheţată. Când fasciculul laser
iradiază aceasta țintă, solventul se evapora, iar materialul polimeric este transportat de către
vapori și apoi colectat pe un substrat (Figura 1).
Figura 1 Principiul de funcționare al tehnicii MAPLE
În Figura 2 este prezentat sistemul experimental MAPLE din cadrul grupului PPAM
(stânga) folosit pentru obținerea de filme subțiri polimerice cât și o imagine din timpul unei
depuneri tipice MAPLE (dreapta).
Figura 2 Sistemul experimental MAPLE folosit pentru obținerea de filme subțiri polimerice (stânga).
Imagine din timpul unei depuneri tipice MAPLE (dreapta)
În această primă etapă, polimerii chemoselectivi, poliizobutilenă (PIB), poliepiclorhidrina
(PECH) şi polietilenimina (PEI) (Sigma Aldrich) au fost depuși ca element activ în senzori de
gaz chimici datorită faptului că au capacitatea de a identifica în mod specific şi selectiv gaze
toxice și de război. Ca principiu general, detectarea analitului se bazează pe interacţiunea dintre
moleculele polimerului şi gazul toxic, care este ad/absorbit de filmul sensibil. Gruparea
4
funcțională a polimerului este compusă dintr-o unitate hidroxil (OH) (sau poate fi o unitate NH2)
şi o grupare hidrofobă (de exemplu, CFn sau o grupare din clasa siloxanilor -Si-C-O-Si- sau -Si-
O-Si-C), ce respinge apa datorită naturii nepolare. Din cauza caracterului polar al unităţii de
hidroxil este atras un atom de oxigen izolat în molecula analitului şi astfel este formată o legătură
slabă de hidrogen. Capacitatea polimerului de a forma legături slabe de hidrogen cu moleculele
analitului reprezintă o proprietate esențială a polimerilor, care a permis folosirea lor în
proiectarea unui detector chimic. Faptul că ei pot fi dizolvați în solvenţi comuni, îi face foarte
utili pentru experimentele MAPLE.
Activitatea I.2. Caracterizarea proprietăților fizice și chimice ale straturilor polimerice
simple depuse prin MAPLE secvențial
Analiza morfologică a straturilor subțiri depuse prin MAPLE
Analiza morfologica a straturilor subțiri de PIB
Morfologia straturilor polimerice depuse (PECH, PIB și PEI) a fost caracterizată prin
microscopie de forță atomică (AFM) și microscopie electronică de baleiaj (SEM). S-a constatat
faptul că, în general, calitatea suprafeței filmelor este afectată de fluenţa laser.
În Figura 3 sunt prezentate imagini AFM ale straturilor de polimeri obţinute la diferite fluențe
laser (sistemul laser a funcționat la lungimea de unda de 266 nm iar ţinta a fost realizată dintr-o
soluție de polimer 2% şi 98% solvent).
Figura 3 Imagini optice și topografice 3D ale filmelor subțiri de PIB, PECH și PEI depuse pe substrat de
siliciu după 30k pulsuri la o fluență laser de 0.8 J/cm2
PI
B
PEC
H
PE
I
5
Rugozitatea straturilor subțiri de PIB și PECH (RMS) pe o suprafața de 40 µm × 40 µm
(depuse la 0.8 J/cm2 și dintr-o țintă formată dintr-o soluție cu 2 % polimer și 98% solvent)
depășește 180 nm și este normală pentru astfel de materiale. Deși suprafețele cu rugozitate mare
sunt avantajoase pentru anumite tipuri de aplicații în senzoristică, în cazul acestui proiect sunt
necesare rugozități mult mai reduse (deoarece aceste neuniformitati afecteaza raportul semnal-
zgomot). Comparând straturile subțiri de PEI cu cele de PIB, respectiv PECH s-a observat că
straturile subțiri de PEI sunt mult mai uniforme și continue. De exemplu, așa cum se poate
observa din imaginile de AFM prezentate în Figura 3, filmele de PEI prezintă o suprafață
continuă, foarte uniformă, filmul subțire acoperind întreaga suprafață a substratului. Rugozitatea
(RMS-ul) ce se poate observa în Figura 3 (pe o zonă de 40 × 40 μm2 a unei probe depuse dintr-o
țintă cu 2% PEI și 98 % metanol, la o fluență laser de 0.8 J/cm2 și o presiune în camera de
depunerea de 10-4 mbar este de aproximativ 1.2 nm, care reprezintă o valoare foarte scăzută
pentru astfel de materiale.
Analiza chimică a straturilor subțiri depuse prin MAPLE
În scopul identificării condițiilor experimentale optime pentru a obține straturi subțiri
polimerice fără a altera structura moleculară a polimerilor ca urmare a depunerii lor prin tehnica
MAPLE, a fost analizată prin FTIR structura chimică a straturilor subțiri de PEI.
Figura 4. Spectrele FTIR ale straturilor subțiri de PEI obținute din ținte iradiate la lungimea de undă de
266 nm. Fluența laser a fost de 0.8 J/cm2.
Figura 4 prezintă spectrele FTIR ale probelor depuse la diferite fluențe laser în comparație
cu spectrul polimerului neiradiat: intensitatea semnalului nu este relevantă deoarece grosimile
probelor măsurate sunt diferite. Legăturile simetrice CH3, ce apar la 1308 cm-1, sunt bine
reproduse de probele depuse prin MAPLE. Benzile de la 1472 cm-1 sunt legate de asimetria
6
grupărilor CH3 şi de forfecarea grupărilor CH2. Legăturile de la 2862 cm-1 si 2925 cm-1
corespunzătoare benzilor de vibrații de simetrie ale CH2 si CH3, sunt de asemenea bine
reproduse. În concluzie putem afirma că probele de PEI depuse la o lungime de undă de 266 nm
reproduc structura chimică a polimerului neiradiat.
Activitatea I.3. Testarea sensibilității, selectivității și a timpului de răspuns ale
senzorilor polimerici în prezența vaporilor de compuși organofosforici
Planul de testare a sistemului de senzori
Activitatea de testare a senzorilor polimerici s-a desfășurat în cadrul CCSACBRNE, iar
prin testarea matricelor de senzori piezoelectrici acoperiţi cu membrane polimerice s-a urmărit
evaluarea capacităţii de detecţie a compuşilor organofosforici. Senzorii au fost supuși la acțiunea
simulanților de agenți neuroparalitici, Dimetil metilfosfonat – DMMP și Diizopropil metilfosfonat
– DIIP.
Principiul de funcţionare
Soluţia de compus organofosforic se dozează prin injectare în matricea de senzori, după
ce în prealabil a fost injectată aceeaşi cantitate de solvent blank, respectiv solventul în care a fost
preparat compusul organofosforic.
Reactivii folosiţi la testarea matricelor de senzori SAW sunt după cum urmează:
➢ DMMP, DIIP, clorura de metilen;
➢ compoziție de decontaminare pe baza de TCCA (acid triclor izocianuric) –
pentru decontaminarea sticlăriei de laborator;
➢ 1-benzotiofen (pentru calibrare GC/MS în vederea determinării purităţii
compuşilor de testare);
➢ 5-clor-2metil anilină (pentru calibrare GC/MS în vederea determinării purităţii
compuşilor de testare).
Temperatura (parametru important în situaţia unei contaminări reale) a fost înregistrată la
fiecare determinare în parte, pentru o concluzionare realistă a rezultatelor testărilor. Domeniul de
temperaturi din timpul testărilor experimentale a fost cuprins între 22 – 27 0C.
Prepararea soluțiilor utilizate la testarea senzorilor s-a efectuat în fiole de probă prevăzute
cu închidere etanşă (dop înfiletat), conform următorului mod de lucru:
Pentru DMMP
1. Volum clorură de metilen : 20 ml
7
2. Volum DMMP : 0,020 ml
3. Concentraţie DMMP = 1160 g/ml
Pentru DIIP
1. Volum clorură de metilen : 20 ml
2. Volum DIIP : 0,020 ml
3. Concentraţie DIIP = 976 g/ml
Realizarea concentraţiei de DMMP şi DIIP şi testarea matricelor de senzori
Se parcurg următoarele etape de lucru:
o Se determină puritatea compuşilor prin gaz cromatografie cuplată cu spectrometrie
de masă (GC/MS), în vederea calculării cantităţilor necesare realizării concentraţiilor de lucru;
o Se realizează soluţiile în concentraţie de 1160 g/ml pentru DMMP, respectiv de
976 g/ml pentru DIIP;
o Se conectează camera de testare cu senzori la sistemul de achiziţie a datelor și se
injectează cantități controlate de DMMP și DIIP.
Rezultatele testărilor
Testarea experimentală a matricelor de senzori SAW s-a concretizat în următoarele
obiective:
● realizarea concentraţiilor de toxic şi injectarea unui volum de concentraţie cunoscută în camera
de testare cu senzori;
● monitorizarea modificărilor de frecvenţă de rezonanţă a senzorilor la acţiunea toxicului.
Răspunsul senzorilor testaţi (salt frecvenţă) la concentraţiile diverse de agent toxic este
prezentat în tabelul 1.
Toxic injectat Cantitate injectată (µl) Salt frecvenţă (Hz)
DIIP 5 625
10 1457
15 2700
20 > 3000
DMMP 5 550
10 1400
Tabelul 1. Cantităţile de toxic injectate şi salt de frecvenţă pentru fiecare volum injectat
Saltul de frecvență a fost determinat, lăsând senzorul să oscileze fără gazul țintă
8
aproximativ 40-50 s, apoi a fost injectată în cutia de testare substanța țintă sub formă lichidă. În
urma procesului de evaporare, moleculele gazului au fost ad/absorbite de filmul sensibil, făcând
ca acesta să-și schimbe proprietățile mecanice și electrice, ceea ce a dus la modificarea frecvenței
de oscilație a senzorului.
În urma experimentărilor făcute în cadrul testării senzorilor la DMMP și DIIP la diverse
concentrații, s-a putut calcula sensibilitatea și limita de detecție a senzorului.
Substanță Cantitate injectată în
camera de senzori (µl)
Concentrația
realizată în camera de senzori (ppm)
Sensibilitate
(Hz/ppm)
Limita de
detecție (ppm)
DMMP 5 0,039 14224 0,006327
10 0,077 18103 0,004971
DIIP 5 0,033 19211 0,004685
10 0,065 22392 0,004019
15 0,098 27663 0,003253
20 0,130 23053 0,003904
Tabelul 2. Limita de detecție obținută a senzorilor SAW de tip PEI
Etapa 2: Optimizarea dispozitivului senzoristic heterostructuri hibride polimer - enzima
pentru detectia compusilor organofosforici
Astfel, în etapa 2-2018, s-au stabilit parametrii de lucru pentru obținerea de multistraturi
sau straturi hibride de PEI și enzima acetilcolinesterază AchE. Au fost obținute seturi de senzori
având elemente active PEI, AchE, PEI/AchE (heterostructura) și PEI_AchE (hibrid) pentru
caracterizarea și testarea la gaze de tip DIIP și DMMP.
Activitatea 2.1. Obținerea heterostructurilor hibride polimer (PECH, PEI, PIB) – enzima
(AchE) pe structuri senzoristice de tip traductor interdigital (IDT)
În acest proiect, polietilenimina (PEI) și acetilcolinaesteraza (AchE) au fost alese pentru
obținerea acoperirilor de tip heterostructuri și hibride datorită caracteristicilor lor particulare
adecvate pentru detectarea compușilor organofosforici, dimetil metilfosfonat (DMMP) și
diizopropil metilfosfonat (DIIP). În mod specific, dintre poliamine, polietilenimina (PEI) este
unul dintre cei mai buni candidați pentru legarea compușilor volatili specifici datorită densității
sale ridicate de amine și locurilor de amină primară accesibile pe capetele lanțului (de exemplu,
pentru capacitatea de captare a CO2 etc).
Astfel, în acest proiect, pentru obținerea elementului activ al senzorului bazat pe
enzima AchE și polimerul PEI a fost folosită tehnica evaporarii laser MAPLE și a unui sistem de
țintă dublă AchE-PEI. În cadrul acestui procedeu, un fascicul laser (Nd:YAG, 266 nm) este
scanat pe suprafața țintei duble și înghețate în mod controlat pentru a evapora cei doi compuși în
9
cadrul aceleiași depuneri. Pentru a forma ținta, soluțiile au fost sonicate din nou timp de 5 minute
și congelate rapid într-un recipient de cupru răcit cu azot lichid. Mai întâi, soluția PEI a fost
limitată la 30% din țintă utilizând un separator teflon detașabil; și în al doilea rând, soluția AchE
a fost înghețată și separatorul de teflon a fost îndepărtat. Containerul a fost apoi montat pe un
suport criogenic în interiorul camerei de depozitare (camera de vid sferică Neocera cu diametrul
de 12"). Ținta a fost menținută înghețată de un sistem de azot lichid circulant, temperatura
verificată de cele două termocupluri plasate direct pe suportul țintă.
În cazul structurilor multistrat sau hibride, fluența laserului a fost de 0,45 J / cm2 și
numărul pulsurilor a fost păstrat la impulsuri de 54k (pentru AchE) și 36k (pentru a obține
acoperiri PEI și PEI-AchE de 2,4 um și respectiv 200 nm grosime). Pentru a evita influența
solventului polimerului asupra AChE, am utilizat un sistem dublu de țintă, constând în 75% din
suprafața ocupată de AchE și 30% de PEI (figura 5).
\
Figura 5. Set-up MAPLE și sistemul țintă utilizat pentru obținerea acoperirilor hibride PEI-AchE
și a filmelor subțiri PEI / AchE stratificate
Activitatea 2.2. Caracterizarea fizico-chimică a proprietăților heterostructurilor hibride
polimer (PECH, PEI, PIB) – enzimă (AchE) prin metoda MAPLE secvențială
Caracterizarea morfologică
Microscopia electronică și microscopia de forța atomică au fost utilizate pentru a
analiza morfologia și rugozitatea componentelor turnate și depuse ale suprafețelor acoperite cu
straturi și hibrizi, cu o grosime finală de 2,4 m, în diferite zone ale probelor.
Se poate observa că probele de control, obținute prin turnarea în picături - Figura 6, sunt
caracterizate de suprafețe relativ netede, dar prezintă în cazul AchE acumulare neregulată de
10
material ca nanograunte pe suprafață. Imaginile microscopice optice arată o acumulare mai mare
a acestor granule ca structuri pe toată suprafața probelor. Formele neregulate sunt prezente și în
cazul PEI, materialul fiind răspândit neuniform.
Figura 6. Imagini de SEM, microscopie optică și AFM ale filmelor de AchE și PEI obținute prin
evaporarea unei picături
Figura 7. Imagini SEM ale filmelor obținute prin MAPLE pe Si. Scala: 50 m
Spre deosebire de probele de control, principalele caracteristici ale probelor obținute de
MAPLE, confirmate atât prin analiza SEM cât și prin analiza AFM, sunt uniformitatea și
suprafața de rugozitate scăzută, așa cum se poate observa pentru filmele subțiri PEI, AchE, PEI /
AchE si PEI, AchE (Figura 7, 8 și 9).
11
Figura 8. Imagini SEM (mărire 20.000) ale filmelor obținute prin MAPLE pe Si. Scala: 4 m
Cu toate acestea, s-a observat că, de asemenea, în cazul acoperirilor stratificate, proteina
poate acumula o parte din expunerea PEI. Cu toate acestea, în cazul acoperirilor hibride,
depozitul de proteine pare să fie încorporat în stratul polimeric (Figura 9).
Figura 9. Imagini AFM (1 mx1m) ale probelor obținute prin MAPLE
Caracterizarea chimică
Măsurătorile FTIR au fost efectuate pentru a analiza diferențele induse prin metode de
depunere (MAPLE și dropcast) în grupurile funcționale din eșantioanele PEI, AchE, respectiv
PEI-AchE și PEI / AchE. Se observă benzi de absorbanță foarte asemănătoare ale filmele subțiri
obținute de MAPLE cu cele ale materialului inițial (Figura 10).
12
În figura 10, pentru a permite o vizualizare optimă a vârfurilor și modificările lor în
funcție de condițiile experimentale utilizate pentru depunere, sunt prezentate numai regiunile de
absorbție ale materialului depus.
Tabelul 3. Măsurătorile FTIR
Poziția picurilor reprezentative (cm−1) Tip vibrație
PEI
3500 Întindere asimetrică NH
3391 Întindere simetrică NH
3365 Întindere NH II
2915 Întindere asimetrică CH
2881 Întindere simetrică CH
1647 Deformare N–H
1496 Deformare C–H
1043 Întindere C–N
AchE
3282.25 Întindere OH
2962 Întindere C-H
2340; 2360 Întindere asimetrică - CO2 în faza gazoasă
1700-1600 Amida I
1600-1500 Amida II
1451-1410
1200−1405
1300
Întindere C==C
Întindere ν C−N
Deformare ν N−H
Benzile caracteristice polimerului PEI se regăsesc atât în spectrul de referință cât și în
cel al filmului obținut prin MAPLE, confirmând păstrarea grupărilor funcționale ale acestuia atât
după dizolvarea PEI în metanol (picătură) cât și cea rezultată în urma transferului MAPLE
(Figura 10).
Grupările funcționale nemodificate ale PEI au fost indicate de semnalele la 3500 cm-1,
care corespund întinderii asimetrice NH și la 3391 și 3365 cm-1, corespunzând întinderii
simetrice NH. Frecvența simetrică CH și întinderea asimetrică au fost confirmate de semnalele de
la 2881, respectiv la 2915 cm-1. Deformarea N-H a fost confirmată de 1647 la cm-1, în timp ce
vârfurile observate la 1496 cm-1, respectiv 1043 cm-1, corespund deformării C-H și întinderii C-
N. Mai mult, grupurile funcționale ale probelor AchE obținute prin MAPLE au fost indicate de
semnalul de la 3282,25 cm-1, corespunzând modului de întindere liberă a hidroxilului
caracteristic enzimei AchE.
Datorită hidrocarburilor adsorbite pe suprafață, vibrațiile de întindere C-H sunt
confirmate de semnal la 2926 cm-1. În ciuda faptului că probele au fost menținute prin utilizarea
silicagelului și purjarea spectrometrului cu gaz de argon, interferențele cu CO2 din condițiile
ambientale sunt observate ca un vârf dublu localizat la 2340 și 2360 cm-1 (întindere asimetrică).
13
Semnalele de la 1641 cm-1 au fost asociate cu modul de deformare și de foarfecare a NH, în timp
ce semnalul din intervalul 1451-1410 cm-1 a fost atribuit vibrațiilor de întindere C == C provenite
de la enzima depusă pe suprafață. Mai mult, spectrul acoperirilor hibride AchE-PEI depuse de
MAPLE a arătat similitudini de absorbție cu cele ale eșantioanelor de control pentru ambele
componente. Cu toate acestea, așa cum s-a raportat anterior, prezența enzimei imobilizate pe o
suprafață a fost confirmată prin observarea benzilor largi și intense pentru amida I la ~ 1655 cm-1
(VC = O vibrații de întindere) și amida II la ~ 1530 cm-1, în timp ce în cazul nostru, în ciuda
asemănării dintre spectrele turnate în picătură și MAPLE, se observă vârfuri corespunzătoare
amidei I la 1641 cm-1, în timp ce amida II a fost observată la 1514 cm-1.
Figura 10. Spectre FTIR ale filmelor polimerice de PEI, enzima AchE, respectiv PEI-AchE
depuse prin MAPLE și comparate cu referințele obținute prin evaporarea unei picaturi
Datorită hidrocarburilor adsorbite pe suprafață, vibrațiile de întindere C-H sunt
confirmate de semnal la 2926 cm-1. În ciuda faptului că probele au fost menținute prin utilizarea
silicagelului și purjarea spectrometrului cu gaz de argon, interferențele cu CO2 din condițiile
14
ambientale sunt observate ca un vârf dublu localizat la 2340 și 2360 cm-1(întindere asimetrică).
Semnalele de la 1641 cm-1 au fost asociate cu modul de deformare și de foarfecare a NH, în timp
ce semnalul din intervalul 1451-1410 cm-1 a fost atribuit vibrațiilor de întindere C == C provenite
de la enzima depusă pe suprafață. Mai mult, spectrul acoperirilor hibride AchE-PEI depuse de
MAPLE a arătat similitudini de absorbție cu cele ale eșantioanelor de control pentru ambele
componente. Cu toate acestea, așa cum s-a raportat anterior, prezența enzimei imobilizate pe
suprafață a fost confirmată prin observarea benzilor largi și intense pentru amida I la ~ 1655 cm-1
(V C = O vibrații de întindere) și amida II la ~ 1530 cm-1, în timp ce în cazul nostru, în ciuda
asemănării dintre spectrele turnate în picătură și MAPLE, se observă vârfuri corespunzătoare
amidei I la 1641 cm-1, în timp ce amida II a fost observată la 1514 cm-1.
Se observă mai multe benzi de componente la 1636, 1649, 1672 și 1690 cm-1.
Componentele observate la 1631, 1648 și 1656 cm-1; precum și benzile mai slabe apărute lângă
1622, 1640 și 1672 cm-1 corespund observațiilor din literatură [Gorne-Tschelnokow et al.]. Alte
vârfuri minore (între 1700-1850 cm-1) sunt legate de absorbția de carbonil de întindere. De
asemenea, vârfurile observate în regiunea 1400-1200 cm-1 sunt atribuite amidei III (întindere ν C-
N).
Activitatea 2.3. Testarea sensibilitatii, selectivitatii și a timpului de răspuns ale
senzorilor cu heterostructuri hibride polimer - enzimă în prezența vaporilor de compuși
organofosforici
Activitatea de testare a senzorilor cu heterostructuri hibride polimer - enzimă s-a
desfășurat în cadrul CCSACBRNE, diferitele concentrații ale DMMP și DIIP au fost detectate
utilizând un sistem de testare dezvoltat de către cei doi parteneri.
Sistemul de testare este format dintr-o incintă cu un volum de 8,5 l, în care are loc
evaporarea completă a substanței injectate sub formă de lichid. Dupa evaporarea completă a
soluției, acești vapori sunt amestecați cu aerul din incintă. Acest amestec este circulat prin sistem
cu ajutorul unei pompe cu diafragmă la un flux constat de 150 cm3/s.
Astfel, soluții de DMMP și DIIP au fost injectate într-un amestec de gaze și amestecat cu
aer. Cantitatea de DMMP și DIIP, prezentată în tabelul 4, a fost de 6 ppm și, respectiv, 5 ppm,
după evaporarea totală a analitului, a fost circulată în sistem printr-o pompă cu diafragmă
(modelul Pfeiffer MVP 035-2).
Temperatura amestecului și debitul s-au menținut constant în timpul experimentelor.
Repetarea a 10 măsurători ale deviației de frecvență pentru fiecare dintre filmele senzorilor a
generat erori sub +/- 4%.
15
. AmplificatorAnalizorfrecventa
Incinta amestec
Senzor SAW
Itraductoriinterdigitali
Film sensibil
Figura 11. Modelul experimental folosit pentru testarea senzorilor
Activitatea 2.4. Realizarea dispozitivului senzoristic pe baza heterostructurilor hibride
polimer (PECH, PEI, PIB) - enzima (ACHE) obținute în condiții experimentale optimizate
Acoperirile hibride PEI-AchE au fost obținute prin scanarea simultană a fasciculului laser
pe țintă duală în cadrul aceluiași experiment, respectiv peliculele subțiri PEI / AchE stratificate au
fost obținute prin scanarea întâi a fasciculului laser pe ținta PEI și, în al doilea rând, pe suprafața
țintă AchE (Figura 5).
Materialele au fost depuse pe senzori de tip SAW. Aceștia au fost fabricați pe cuart ST cu
propagare în direcția X. Traductoarele interdigitale au constat din aur de 200 nm la 10 nm de
crom ca strat adeziv. A fost folosit un design dublu cu degetul dublu cu o periodicitate de 11 μm.
Frecvența de operare a senzorilor SAW a fost de ~ 69 MHz. Pentru circuitul de măsurare a fost
utilizat un amplificator DHPVA-100 FEMTO (10-60 dB, 100 MHz) iar măsurătorile au fost
realizate cu un analizor counter CNT-91 Pendulum.
Activitatea 2.5. Testarea comparativă a proprietăților de detecție de vapori organofosforici
a senzorilor polimerici și a senzorilor hibrizi polimeri - enzimă
Prin compararea rezultatelor pentru cele trei tipuri de senzori, se observă o diferență în
schimbarea frecvenței în funcție de tipul de film depus. Astfel, pentru filmul PEI, unde
interacțiunea a avut loc prin legături slabe de hidrogen, s-au obținut cele mai scăzute valori.
Pentru filmul stratificat, unde enzima interacționează direct cu analitul, rezultatele sunt
16
intermediare. În acest caz, semnalul este recepționat printr-un efect π, (între electronii p al
azotului și electronii π al grupului fosfat), oferind legături mai puternice decât legăturile de
hidrogen formate de PEI.
În urmă experimentelor s-a observat că timpul de răspuns al senzorilor diferă în funcție de
materialul depus. Pentru senzorul cu film polimeric PEI, timpul este sub 50 s, iar pentru senzorul
cu heterostructura PEI/AchE, sub 20 s, cel mai bun timp de răspuns obținându-l cu senzorul
depus cu material hibrid PEI_AchE, sub 10 s.
Tabel 4. Răspunsul senzorilor la 6 ppm DMMP și 5 ppm DIIP
Tip material activ/senzor
DIIP DMMP
Frecvența/shift
[kHz]
Frecvența/shift
[kHz]
Heterostructura PEI/AchE 30 10
Hibrid PEI_AchE 200 65
PEI 11 4
Răspunsul mai bun dat de stratul hibrid poate fi explicat prin efectul sinergie al PEI și
AchE, atât polimerul cât și enzima care acționează în prezența DMMP și DIMP, prin legături
slabe de hidrogen și prin efectul p-π. De asemenea, AchE este bine cunoscut pentru asigurarea
legării localizate prin expunerea subsite-ului esteric (Ser-His-Glu) și subsite-ului anionic care
leagă periferic care are capacitatea de a se lega de multe tipuri diferite de liganzi .
Mai mult, așa cum este arătat în figura 5, suprafețele hibride sunt, de asemenea, caracterizate prin
prezența unor pori de dimensiune nm care ar putea duce la creșterea suprafeței active a
senzorului. Cu toate acestea, diferențele dintre rezultatele pentru DIMP și DMMP pot fi explicate
prin efectul inductiv de repulsie a grupurilor metoxi și radicalii metil, care formează un nor
electronic mai mare pe DIMP decât pe DMMP.
Aceste interacțiuni necovalente ale acestui sistem cu DMMP ar putea reprezenta, de asemenea,
baza pentru realizarea detectorilor reversibili ai simulanților agentului nervos în soluție și, de
asemenea, pe suporturi solide. Cu toate acestea, deoarece sensibilitatea și selectivitatea sunt
factori cruciali în aplicabilitatea senzorilor, perspectiva vizează discriminarea agenților nervoși
volatili și / sau a altor compuși organofosfați toxici din substanțe netoxice într-un mediu gazos
complex prin utilizarea unei serii senzoriale bazate pe rezonatoare SAW și elemente active bazate
pe pe AchE, dar în combinație cu diferite tipuri de polimeri chemoselectivi care ar putea da
sistemului atât selectivității, cât și sensibilității față de diferiți agenți chimici.
17
Activitatea 2.6. Diseminarea rezultatelor
O parte din rezultatele experimentale obținute au fost diseminate prin prezentarea lor la
conferința internațională EMRS 2018, Franța, (EMRS 2018, Strasbourg, Franța: Tailored
polymeric coatings obtained by MAPLE for obtaining chemical sensors, la Simp. X, un brevet, și
două articole în curs de publicare în jurnale internaționale cotate ISI ambele din zona roșie, cu
factor de impact ridicat 2,475 și 5,667 (MAPLE Assembled Acetylcholinesterase-
Polyethylenimine Hybrid and Multilayered Interfaces for Toxic Gases Detection in Sensors; si
Highly selective surface acoustic wave e-nose implemented by laser direct writing - Sensors and
Actuators B: Chemical)
Proprietatea intelectuală:
Modul de identificare, atribuire și exploatare a dreptului de proprietate au fost specificate
clar în cadrul acordului ferm de colaborare semnat între partenerii proiectului astfel:
- Documentația tehnică de orice natură (rapoarte de cercetare, studii) va aparține
partenerilor implicați în realizarea etapelor respective, cu obligația nediseminării ei.
- Rezultatele științifice/tehnice originale, care conțin date obținute în colaborare în cadrul
proiectului, vor fi prezentate în comun ca lucrări publicate în reviste de specialitate și/sau
comunicări știintifice interne și/sau internaționale;
În cazul în care, ca urmare a proiectului de cercetare care face obiectul prezentului
protocol, se depun una sau mai multe cereri de brevet de invenție, ce conțin date obținute în
colaborare, parțile semnatare vor fi co-titulare. Drepturile de brevetare vor fi stabilite între
participanți, în raport cu procentul de contribuție originală, conform cu Legea Nr.64/1991.
CONCLUZII
Având în vedere cele de mai sus, rezultă că activitățile din sarcina coordonatorului,
Ministerul Apărării Naționale prin Centrul de Cercetare Științifică pentru Apărare CBRN
și Ecologie și ale partenerului, Institutul Național de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica
Laserilor, Plasmei și Radiației, au fost realizate integral, obtinându-se următoarele
rezultate:
● eșantioane de tip heterostructură și material hibrid caracterizate morfologic și chimic;
● un procedeu de încorporare al enzimei în polimerul PEI bazat pe utilizarea evaporarii laser
MAPLE și a unui sistem de țintă dublă ACHE-PEI;
● dispozitive de test optimizate obținute cu elemente active bazate pe polimer-enzimă atât ca
heterostructură cât și ca material hibrid;
18
● raport model experimental de obținere element activ de tip heterostructuri, hibrid;
● raport de test al sensibilității, selectivității și timpului de răspuns în prezența vaporilor de
DMMP si DIIP;
● 1 brevet;
● poster prezentat la conferință internațională;
● 2 articole submise în jurnale cotate ISI din zona rosie și în curs de publicare;
● pagină web a proiectului cu adresa: https://www.nbce.ro/sensdetect.html.
În concluzie, se poate afirma că obiectivele proiectului au fost atinse în procent de
100%, având în vedere rezultatele prezentate în raportul final căt și în cele două raportări ale
celor două etape ale proiectului.
S-a trecut de la TRL 2 – (obținerea de filme polimerice prin MAPLE) la TRL3/4 –
(monitorizarea compușilor volatili toxici de către senzori cu membrană activă constituită din
straturi polimerice cu enzima incorporată, fiind depus și un patent pe această tematică).
Rezultatele deschid calea spre o strategie alternativa in senzoristica prin utilizarea unor
materiale inovative care prin asocierea proprietatilor materialelor componente pot deveni mai
performante.
Centrul de Cercetare Științifică pentru
Apărare CBRN și Ecologie
Director de proiect,
Lt.col.dr.ing.
Constantin Nicolae TOADER