Композиционные покрытия полиметилметакрилата с наночастицами диоксида кремния для емкостных датчиков контроля содержания никеля в воде

Загрязнение окружающей среды, в частности источников воды, тяжелыми металлами является серьезной экологической проблемой. В связи с этим актуальна разработка новых сенсорных систем, позволяющих проводить экспресс-тесты и не уступающих при этом по аналитическим параметрам классическим методам детекции тяжелых металлов. Перспективными материалами для создания таких сенсорных систем являются композиционные покрытия на основе полимерных соединений с неорганическими наночастицами. В работе представлены результаты применения покрытий полиметилметакрилата (ПММА) и нанокомпозитов ПММА с наночастицами диоксида кремния (нч-SiO₂) для разработки емкостных датчиков анализа содержания ионов Ni²⁺ в воде. Методом атомно-силовой микроскопии исследованы структурно-морфологические характеристики проводящего никелевого слоя и наноструктурированных пленок на основе полиметилметакрилата. На основании экспериментальных данных зависимости емкостных характеристик датчиков от концентрации Ni²⁺ в растворах установлены рабочие характеристики сенсоров: время отклика – 5 мин; рабочий диапазон концентраций ионов Ni²⁺: 1 10^–3–50 мМ; нижний предел обнаружения ≈0,06 мг/л (ПДК никеля в воде – 0,1 мг/л). Показано, что формирование на проводящем слое никеля покрытия состава ПММА + нч-SiO₂ (1 : 41,7 моль) методом спин-коатинга приводит к увеличению чувствительности датчика и срока его службы (до семи циклов).

1. Recent advances in portable heavy metal electrochemical sensing platforms / A. Garcia-Miranda Ferrari [et al.] // Environmental Science: Water Research & Technology. – 2020. – Vol. 6, N 10. – P. 2676–2690. https://doi.org/10.1039/d0ew00407c

2. A review on detection of heavy metals from aqueous media using nanomaterial-based sensors / J. A. Buledi [et al.] // Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – Vol. 28. – Р. 58994–59002. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07865-7

3. Detection of heavy metals using fully printed three electrode electrochemical sensor / S. G. R. Avuthu [et al.] // IEEE SENSORS 2014 Proceedings. – Valencia, Spain, 2014. – P. 669–672. https://doi.org/10.1109/icsens.2014.6985087

4. Nanostructured Sensors for Detection of Heavy Metals: A Review / Li Ming [et al.] // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2013. – Vol. 1, N 7. – P. 713–723. https://doi.org/10.1021/sc400019a

5. A Review of Nanocomposite-Modified Electrochemical Sensors for Water Quality Monitoring / O. Kanoun [et al.] // Sensors. – 2021. – Vol. 21, N 12. – Art. 4131. https://doi.org/10.3390/s21124131

6. Polymer based nanocomposites: A strategic tool for detection of toxic pollutants in environmental matrices / A. Shakeel [et al.] // Chemosphere. – 2022. – Vol. 303, part 1. – Art. 134923. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134923

7. A Portable Sensor System with Ultramicro Electrode Chip for the Detection of Heavy-Metal Ions in Water / Y. Wang [et al.] // Micromachines. – 2021. – Vol. 12, N 12. – Art. 1468. https://doi.org/10.3390/mi12121468

8. Flexible copper-biopolymer nanocomposite sensors for trace level lead detection in water / P. Pathak [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2021. – Vol. 344. – Art. 130263. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130263

9. 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.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2007. – Vol. 122, N 2. – P. 484–492. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.06.016

10. Heavy metal ion detection using a capacitive micromechanical biosensor array for environmental monitoring / G. Tsekenis [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2015. – Vol. 208. – P. 628–635. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.10.093

11. Ultrasensitive determination of mercury ions using a glassy carbon electrode modified with nanocomposites consisting of conductive polymer and amino-functionalized graphene quantum dots / B. Tian [et al.] // Microchimica Acta. – 2020. – Vol. 187. – Art. 210. https://doi.org/10.1007/s00604-020-4191-1

12. Selective Hg2+ sensor performance based various carbon‐nanofillers into CuO‐PMMA nanocomposites / D. F. Katowah [et al.] // Polymers for Advanced Technologies. – 2020. – Vol. 31, N 9. – P. 1946–1962. https://doi.org/10.1002/pat.4919

13. Eltayeb, N. E. Preparation and properties of newly synthesized Polyaniline@Graphene oxide/Ag nanocomposite for highly selective sensor application / N. E. Eltayeb, A. Khan // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, N 5. – P. 10459–10467. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.031

14. Development of an impedimetric sensor based on carbon dots and chitosan nanocomposite modified electrode for Cu(II) detection in water / M. Echabaane [et al.] // Journal of Solid State Electrochemistry. – 2021. – Vol. 25. – P. 1797–1806. https://doi.org/10.1007/s10008-021-04949-3

15. Сенсорные слои полиметилметакрилата для емкостных датчиков анализа содержания катионов тяжелых металлов в воде / Д. В. Сапсалёв [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. хім. навук. – 2024. – Т. 60, № 1. – С. 81–88. https://doi.org/10.29235/1561-8331-2024-60-1-81-88