Юлия Горбань учится в магистратуре на кафедре химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, а в составе крупного академического научного коллектива ведет работу по получению тонких пленок оксидов металлов, необходимых для создания газочувствительных сенсоров. Такие устройства применяются в медицине (в том числе для ранней диагностики онкологических заболеваний) и в промышленности (например, для регистрации опасных газов на производственных площадках). Работа Юлии Горбань и ее коллег отмечена грантом Президента РФ, проводится при поддержке Минобрнауки России по государственному заданию Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН). Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговом журнале Biosensors (Q1).

Основным элементом в газовом анализаторе являются сенсоры, способные улавливать мельчайшие концентрации газов в воздушной смеси. На поверхность газового сенсора наносится чувствительная пленка, которая состоит из оксидов различных металлов. В последнем исследовании Юлии Горбань и ее коллектива использовались оксиды цинка и железа (ZnO-Fe2O3). Пленка из таких нанокомпозитов обладает высокой чувствительностью к диоксиду азота (NO2) — известному маркеру патологических процессов в организме.

«Я занимаюсь получением тонких пленок оксидов металлов методом аэрозольного газофазного напыления (AACVD). Пленки используются в качестве газочувствительного слоя в полупроводниковых газовых сенсорах. Такие сенсоры широко используются не только в промышленности для регистрации токсичных и взрывоопасных газов, но и в медицине для неинвазивной диагностики заболеваний: анализе выдыхаемого пациентом воздуха. Все работы проводятся в ИОНХ РАН им. Н.С.Курнакова в лаборатории химии лёгких элементов и кластеров. В РХТУ им. Д.И.Менделеева я учусь на кафедре химии и технологии кристаллов, где изучаю гетерофазные структуры, что существенно помогает в моей работе. В июне этого года защитила диплом по теме данного исследования», — рассказала Юлия Горбань. 

По словам Юлии, свойства получаемых материалов зависят от метода их получения, и новизна работы коллективазаключается  как раз в изучении газочувствительных свойств нанокомпозитов ZnO-Fe2O3, полученных нетривиальным методом AACVD. Высокий отклик таких пленок отмечен на сверхнизкие концентрации NO2 при малой зависимости величины отклика от влажности. Подобные характеристики позволяют использовать пленки в качестве чувствительного слоя полупроводникового газового сенсора для регистрации заболеваний легких  (бронхиальной астмы, бронхоэктазы, хронической обструктивной болезни легких, злокачественных опухолей). Стоит отметить, что сравнительно невысокая рабочая температура 175°С обеспечивает низкое энергопотребление газового сенсора, а небольшая толщина чувствительной пленки (170-200 нм) позволяет получать быстрый отклик по сравнению с широко используемыми в промышленности толстопленочными технологиями.

«Используемый в данной работе метод синтеза можно широко применять в промышленности, он не требует сложного аппаратурного оформления, дорогих прекурсоров и высокого вакуума, позволяет варьировать большое количество параметров синтеза», — пояснила Юлия Горбань. 

Юлия Горбань также сообщила, что работа по получению чувствительных материалов на основе оксидов металлов началась с получения и исследования свойств индивидуального оксида цинка. Ученые определили рабочую температуру синтеза, газ-носитель, прекурсор, растворитель, подобрали оптимальную схему установки. Так им удалось получить пленки нанокомпозитов ZnO-Fe2O3 одностадийным и двухстадийным методами AACVD с разным временем напыления оксида железа. Наилучшие газочувствительные характеристики по результатам исследований продемонстрировала пленка, созданная двухстадийным методом со временем напыления Fe2O3 10 минут. 

Работа ученых показала пример эффективного взаимодействия академических и образовательных институтов. Микроструктуру и фазовый состав образцов исследовали на оборудовании центра совместного пользования физическими методами исследования веществ и материалов ИОНХ РАН. Раман-спектры нанокомпозитов  ZnO-Fe2O3 были записаны в ИФХЭ РАН, а рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия была выполнена в МФТИ. 

В настоящее время Юлия Горбань и коллеги проводят исследования по влиянию различных оксидов металлов на газочувствительные свойства пленок на основе оксида цинка.

«На средства гранта по программе «УМНИК», который был получен мной в этом году, будут проводится исследования по влиянию концентрации оксида хрома на газочувствительные свойства тонких пленок на основе оксида цинка, в результате чего будет подана заявка на патент. Также коллективом  рассматривается возможность проведения медицинских испытаний и использования нашей технологии для формирования так называемого «электронного носа», способного распознавать множество составляющих в многокомпонентной газовой смеси. В данный момент совместно с партнерами проводятся работы по нанесению чувствительных покрытий на миниатюрные чипы, которые (в отличие от лабораторных датчиков, используемых нами ранее) можно использовать непосредственно в готовых к применению газовых сенсорах», — подытожила Юлия Горбань.

***

Статья

Artem S. Mokrushin, Yulia M. Gorban, Aleksey A. Averin, Philipp Yu. Gorobtsov, Nikolay P. Simonenko, Yury Yu. Lebedinskii, Elizaveta P. Simonenko  and Nikolay T. Kuznetsov. Obtaining of ZnO/Fe2O3 Thin Nanostructured Films by AACVD for Detection of ppb-Concentrations of NO2 as a Biomarker of Lung Infections. Biosensors, Q1. DOI: https://doi.org/10.3390/bios13040445