Deflessione

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 15789 (2022) Citare questo articolo

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Considerando i gravi rischi derivanti da un livello di concentrazione anormale di H2S in quanto gas estremamente tossico per il corpo umano e a causa dell'incapacità del sistema olfattivo nel rilevare il livello tossico di concentrazione di H2S, è un metodo affidabile, sensibile, selettivo e rapido per il rilevamento di H2S. proposto e la sua efficacia viene analizzata attraverso la simulazione. Il sistema proposto si basa sulla deflessione di un raggio laser in risposta alle variazioni di temperatura lungo il suo percorso. Per fornire selettività e migliorare la sensibilità, nel sistema sono state impiegate nanostrutture d'oro. La selettività è stata introdotta in base alle interazioni tiolo-oro e la sensibilità del sistema è stata migliorata grazie alla modifica del comportamento di risonanza plasmonica delle nanostrutture d'oro in risposta all'adsorbimento del gas. I risultati della nostra analisi dimostrano che rispetto ad Au e SiO2–Au, le strutture nanomatriosche di Au (Au–SiO2–Au) hanno mostrato la sensibilità più elevata grazie alla promozione di deflessioni più elevate del raggio laser.

L'idrogeno solforato (H2S), è un gas incolore solubile in acqua, corrosivo, infiammabile ed estremamente tossico ed è identificato con un odore di "uovo marcio". L'H2S è ampiamente prodotto in natura o nell'industria, ad esempio nelle sorgenti termali, nei gas vulcanici, nel petrolio greggio, nell'industria petrolchimica, nella produzione di carta e nello smaltimento dei rifiuti1,2,3,4,5. Numerose ricerche hanno dimostrato che l’H2S, a livelli di concentrazione anormali, ha gravi effetti negativi sulla salute umana. Numerosi disturbi neurali, come l'ictus ischemico, il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson, la sindrome di Down, potrebbero verificarsi a causa di livelli anormali di H2S2,3,6. Inoltre, l'H2S potrebbe influenzare il sistema cardiovascolare a causa dell'apertura del canale del potassio sensibile all'ATP, portando al rilassamento della muscolatura liscia vascolare e ad una diminuzione della pressione sanguigna3. Inoltre, l'H2S può avere gravi effetti sugli occhi, sulla pelle, sul sistema respiratorio e le mucose potrebbero essere distrutte o infiammate7,8. L'H2S con concentrazioni superiori a 250 ppm potrebbe causare avvelenamento del sangue e persino la morte1. A questo proposito, considerando la sicurezza umana e ambientale, la soglia di esposizione sicura di H2S annunciata dall'Istituto nazionale americano per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH) è di 10 ppm per 8 h9.

Gli organi olfattivi dell'uomo riescono a percepire l'H2S alla concentrazione di 130 ppb con una caratteristica simile all'odore di uova marce, mentre alla concentrazione di 83 ppb interagisce con l'emoglobina del sangue con effetti distruttivi sulla salute umana5. Inoltre, un piccolo aumento dei livelli di H2S o un’esposizione prolungata a basse concentrazioni possono causare anosmia3. Pertanto, la progettazione e la realizzazione di una piattaforma di rilevamento rapida e affidabile per il rilevamento in situ in tempo reale di H2S in concentrazione ppm con elevata selettività e sensibilità rappresenta una sfida importante1,3,8.

Finora sono state sviluppate molte strategie per il rilevamento di H2S che potrebbero essere classificate in tre categorie principali; ossido di metallo semiconduttore (SMO) (come ZnO, SnO2, In2O3)10, sensori elettrochimici11 e ottici3,12. Tra i vari tipi di sensori ottici, sono ben noti il ​​rilevamento basato sulla fluorescenza13, la colorimetria14, la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SRES)15 e la spettrometria di assorbimento UV-visibile16. Nonostante i progressi compiuti negli ultimi anni nel rilevamento dell’H2S, queste tecniche hanno sofferto di alcune limitazioni. Ad esempio, nel monitoraggio mobile di H2S mediante sensori basati su SMO, la limitazione principale è il consumo energetico17. Nel caso dei sensori elettrochimici, l'impatto dell'umidità e della temperatura ambiente rappresenta una potenziale limitazione18. Sebbene i sensori elettrochimici siano in grado di superare in una certa misura la limitazione della dipendenza dalla temperatura e dall'umidità, le alte temperature interferiscono con le prestazioni di questi sensori19. Nonostante l'elevata sensibilità e selettività del sensore basato sulla fluorescenza, la difficoltà nella sintesi dei tag e nella loro durata ne limita l'applicazione6. Inoltre, le tecniche di rilevamento basate sulla colorimetria non hanno una sensibilità sufficiente per il gas H2S2.