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