Detección ultrasensible de compuestos orgánicos volátiles

A través de un método de ajuste de poros usando nanocristales de SnO2 formados anisotrópicamente, los científicos han desarrollado sensores de gas, altamente sensibles, para la detección de compuestos orgánicos volátiles (VOC).

 

Algunos compuestos orgánicos volátiles son perjudiciales para la salud animal o ambiental, por lo que la detección de estos gases es importante para mantener la salud y la seguridad. Los COV también pueden ser útiles en diagnósticos médicos, que requieren sensores altamente sensibles para ser eficaces.

 

En un esfuerzo por mejorar la detección de los COV, investigadores de la Universidad de Kumamoto (Kumamoto, Japón), en colaboración con investigadores del Centro de Tecnología Industrial de Fukuoka y de la Universidad de Tohoku, buscaron mejorar la sensibilidad del sensor modificando los tamaños de las partículas y de los poros de los nanocristales de dióxido de estaño (SnO2) en la película detectora. Sabían que el tamaño de las partículas era un factor determinante en la respuesta del sensor, por lo que formularon un método para sintetizar partículas de SnO2 de diferentes tamaños y de patrones de distribución de poros, y realizaron un análisis para determinar la óptima morfología de la partícula de la película detectora para varios gases.

 

Usando un método hidrotérmico, los investigadores sintetizaron nanocubos de SnO2 y nanobastones, y crearon películas para la detección de gases de varios poros y tamaños de partícula. Los nanocristales creados en este experimento fueron desarrollados usando moléculas orgánicas en una solución ácida, lo cual es una diferencia importante con los experimentos previos que usaron cationes en una solución alcalina. Las películas fabricadas usando los nanobastones tenían poros muy pequeños, inferiores a 10 nm, mientras que las películas fabricadas con los nanobastones eran claramente porosas con tamaños de poro superiores a la 10 nm. También se sintetizaron nanocristales de SnO2 cargados con paladio (Pd) para probar la idea de que la carga de Pd mejoraría la respuesta del sensor cambiando los tamaños de los poros.

 

Los gases utilizados para ensayar los nuevos sensores fueron, hidrógeno (200 ppm), etanol (100 ppm) y acetona (100 ppm), cada uno de los cuales son biomarcadores conocidos para la malabsorción de glucosa, la intoxicación alcohólica y la cetoacidosis diabética, respectivamente. La respuesta del sensor (S) se calculó usando una relación de resistencia eléctrica producida en aire (Ra) a la resistencia producida por el gas analizado (Rg) (S=Ra/Rg).

 

El equipo de investigación encontró que los sensores tenían la mejor respuesta cuando usaban nanobastones largos (500 nm) a una temperatura de aproximadamente 250 grados centígrados, excepto el sensor para el H2, que respondía mejor a una temperatura de 300 grados Celsius con nanocubos. Además, los sensores cargados de Pd tuvieron una respuesta mejorada a 250 grados centígrados, siendo los nanobastones largos la morfología de los nanocristales más eficaz, para cada uno de los gases analizados.

 

“Nuestros experimentos demuestran que los sensores nanocristalinos con tamaños de poro más grandes dieron las mejores respuestas de los sensores, en particular, encontramos una sensibilidad ultra alta (aumentando en 5 órdenes de magnitud) en los dispositivos con el mayor tamaño de poro, los sensores de nanobastones largos”, dijo Tetsuya Kida, de la Universidad de Kumamoto, “Esto nos dice que es beneficioso tener un control preciso sobre los métodos de fabricación de estos tipos de sensores”.

 

Las simulaciones han calculado que los niveles de detección del etanol están en el rango inferior de partes por billón, lo que significa que los dispositivos podrían detectar de manera factible los biomarcadores de alcohol en el aliento de los pacientes.

 

Un inconveniente de los nuevos sensores es su tiempo de recuperación relativamente largo. A pesar de que el tiempo de respuesta fue rápido, entre 15-21 segundos, el tiempo de recuperación cayó entre 157-230 minutos. Se pensó que esto era causado por los subproductos de reacción que quedaban en la superficie de la película del sensor. Además, los resultados experimentales y de simulación para el etanol mostraron que los sensores con poros de más de 80 nm son propensos a saturarse. Sin embargo, es probable que esto se pueda superar mediante la optimización del tamaño de los poros y el control de la resistencia eléctrica de la película del sensor.

 

El estudio fue publicado en noviembre de 2016 en la revista ACS Applied Materials & Interfaces.