Desviación

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15789 (2022) Citar este artículo

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Teniendo en cuenta los graves peligros del nivel de concentración anormal de H2S como un gas extremadamente tóxico para el cuerpo humano y debido a la incapacidad del sistema olfativo para detectar el nivel tóxico de concentración de H2S, se requiere un método confiable, sensible, selectivo y rápido para la detección de H2S. se propone y se analiza su eficacia mediante simulación. El sistema propuesto se basa en la deflexión de un rayo láser en respuesta a las variaciones de temperatura en su trayectoria. Para proporcionar selectividad y mejorar la sensibilidad, se emplearon nanoestructuras de oro en el sistema. La selectividad se introdujo en función de las interacciones tiol-oro y la sensibilidad del sistema se mejoró debido a la modificación del comportamiento de resonancia de plasmones de las nanoestructuras de oro en respuesta a la adsorción de gas. Los resultados de nuestro análisis demuestran que, en comparación con Au y SiO2–Au, las estructuras nanomatryoshka de Au (Au–SiO2–Au) mostraron la mayor sensibilidad debido a que promueven mayores desviaciones del rayo láser.

El sulfuro de hidrógeno (H2S), es un gas incoloro, soluble en agua, corrosivo, inflamable y extremadamente tóxico y se identifica con un olor a "huevo podrido". El H2S se produce ampliamente en la naturaleza o la industria, como en aguas termales, gases volcánicos, petróleo crudo, industria petroquímica, fabricación de papel y eliminación de desechos1,2,3,4,5. Numerosas investigaciones han demostrado que el H2S, en niveles de concentración anormales, tiene graves efectos adversos sobre la salud humana. Numerosos trastornos neuronales, como accidente cerebrovascular isquémico, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson, síndrome de Down, podrían ocurrir debido a niveles anormales de H2S2,3,6. Además, el H2S podría afectar el sistema cardiovascular debido a la apertura del canal de potasio sensible al ATP, lo que lleva a la relajación del músculo liso vascular y a una disminución de la presión arterial3. Además, el H2S puede afectar fuertemente a los ojos, la piel, el sistema respiratorio y las mucosas pueden destruirse o inflamarse7,8. El H2S con concentraciones superiores a 250 ppm podría provocar envenenamiento de la sangre e incluso la muerte1. En este sentido, considerando la seguridad humana y ambiental, el umbral de exposición segura de H2S anunciado por el Instituto Nacional Estadounidense para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) es de 10 ppm durante 8 h9.

Los órganos olfativos de los humanos pueden sentir el H2S en una concentración de 130 ppb con una característica similar a un olor a huevo podrido, mientras que en la concentración de 83 ppb interactúa con la hemoglobina sanguínea con efectos destructivos para la salud humana5. Además, un pequeño aumento en los niveles de H2S, o una exposición prolongada a bajas concentraciones, pueden causar anosmia3. Por lo tanto, el diseño y la fabricación de una plataforma de detección rápida y confiable para la detección in situ en tiempo real de H2S en concentraciones de ppm con alta selectividad y sensibilidad es un gran desafío1,3,8.

Hasta el momento, se han desarrollado muchas estrategias para la detección de H2S que podrían clasificarse en tres categorías principales; óxido de metal semiconductor (SMO) (como ZnO, SnO2, In2O3)10, sensores electroquímicos11 y ópticos3,12. Entre los diversos tipos de sensores ópticos, se conocen bien la detección basada en fluorescencia13, la colorimetría14, la espectroscopia Raman mejorada de superficie (SRES)15 y la espectrometría de absorción UV-visible16. A pesar de los avances en la detección de H2S en los últimos años, estas técnicas han sufrido ciertas limitaciones. Por ejemplo, en el monitoreo móvil de H2S mediante sensores basados en SMO, la principal limitación es el consumo de energía17. En el caso de los sensores electroquímicos, el impacto de la temperatura y la humedad ambiente es una potencial limitación18. Aunque los sensores basados en electroquímicos pueden superar la limitación de la dependencia de la temperatura y la humedad hasta cierto punto, las altas temperaturas interfieren con el rendimiento de estos sensores19. A pesar de la alta sensibilidad y selectividad del sensor basado en fluorescencia, la dificultad en la síntesis de etiquetas y su durabilidad restringe su aplicación6. Además, las técnicas de detección basadas en colorimetría carecen de suficiente sensibilidad para el gas H2S2.

Teniendo en cuenta estas limitaciones de los métodos actuales, parece necesario el diseño de nuevas estrategias para la detección de H2S con la capacidad de superar las restricciones anteriores. Los sensores ópticos sin contacto no se ven afectados por la temperatura o la humedad y mantienen su funcionalidad incluso en condiciones de alta temperatura y humedad ambiental1. Como uno de los miembros más sensibles de la familia de espectroscopia de absorción molecular, la espectroscopia de desviación de haz (BDS) se puede utilizar para detectar agentes, así como para medir propiedades especiales de la muestra, como la porosidad y las propiedades térmicas20,21,22,23. También se conoce como "espectroscopia de deflexión fototérmica (PDS)" o "técnica de efecto espejismo"20,24,25. Brevemente, en el BDS, la muestra se irradia localmente utilizando un rayo láser modulado (haz de bomba) y la radiación electromagnética absorbida calienta la muestra localmente a través de procesos no radiativos. El índice de refracción del medio cambiaría como resultado de variaciones en la densidad y, en consecuencia, la trayectoria de otro rayo láser (rayo de sonda) que pasa a lo largo de la superficie de la muestra se desviaría espacialmente24,26. Al medir la desviación del haz de la sonda, utilizando un detector sensible a la posición (PSD) o una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD), se adquiere la señal PDS que es proporcional a la absorción de radiación electromagnética de la muestra27,28.

Se han utilizado tres configuraciones para el montaje experimental del sistema BDS: (a) configuración transversal donde el haz de la sonda es paralelo a la superficie de la muestra y se utiliza para muestras sólidas opacas, (b) configuración colineal (o configuración de transmisión) donde el haz de la sonda transmite a través de la muestra mientras que los haces de la bomba y la sonda son paralelos y (c) configuración de reflexión en la que se mide la desviación del haz de la sonda reflejado29,30.

El sistema BDS como sensor, presenta varias ventajas. Este sistema no requiere ningún equipo complicado. Los láseres de diodo de bajo costo podrían explotarse para haces de bombeo y sonda. También podría utilizarse un equipo simple como detector (por ejemplo, fotodetectores de cuadrante (QPD) que normalmente funcionan como detectores sensibles a la posición). La preparación simple de muestras, la baja cantidad requerida de muestras junto con una alta sensibilidad, así como una resolución espectral, espacial y temporal comparable, son ventajas del BDS como sistema de detección20,23,31,32. Además, al ser sin contacto y no destructivo, este sistema se convierte en un candidato potencial para detecciones tóxicas y críticas. Además, la medición de fondo es cero, lo que da como resultado requisitos mínimos de calibración26. El sistema BDS es independiente de la temperatura y la humedad y también podría funcionar a altas temperaturas.

Se han utilizado ampliamente varias nanoestructuras para mejorar la selectividad y la sensibilidad de los sensores de H2S33,34,35. Por ejemplo, la detección de bajas concentraciones de H2S se ha realizado utilizando nanopartículas de BaTiO236. Las nanopartículas electroactivas (NP), como las NP metálicas, se han utilizado como modificadores de electrodos en sensores electroquímicos para mejorar la generación de señales electroquímicas fuertes y estables2. Entre los diversos tipos de NP que se pueden utilizar en la detección de H2S, las NP de oro han atraído una atención considerable debido a sus propiedades favorables37,38. Las NP de Au biocompatibles tienen una excelente conductividad, propiedades de funcionalización convenientes y una gran área de superficie específica39, junto con un pico de absorción de resonancia de plasmón superficial (SPR) único a 524 nm40.

En comparación con otros gases reductores (NH3) y oxidantes (Cl2 y NO2), los estudios han demostrado que las NP de Au exhiben una gran selectividad por las moléculas de H2S, lo que podría atribuirse a la fuerte interacción oro-tiol3,6,41,42,43, 44. Los resultados de estudios previos mostraron que la película delgada de oro revela una mayor selectividad hacia el H2S que hacia el NH3 y demostró una respuesta más fuerte en condiciones similares. Este fenómeno se debe al hecho de que el H2S tiene una naturaleza más reductora en comparación con el NH342. Por otro lado, debido a la aplicación de citrato en el proceso de síntesis y estabilización de nanopartículas de oro, los iones sulfuro tienen alta tendencia a unirse a las nanopartículas de oro y reemplazar los grupos carboxilo45. En este sentido, el uso de nanopartículas de oro en la plataforma de detección propuesta proporciona una alta selectividad para la detección de H2S. Además, otro estudio40 confirmó que la adsorción y desorción de moléculas de H2S condujo a cambios significativos en el salto de electrones de las NP de Au que podrían usarse en la detección de H2S. La morfología de las nanoestructuras de oro juega un papel fundamental en sus picos de absorción SPR. Las nanopartículas de Au esféricas muestran un solo pico de absorción, mientras que las nanovarillas de Au exhiben dos picos que están relacionados con sus modos longitudinal y transversal46,47. En las estructuras SiO2-Au core-shell y Au-SiO2-Au nanomatryoshka, los picos podrían ajustarse con el tamaño de las estructuras del núcleo y la cubierta en consecuencia48,49.

En este artículo, proponemos una nueva estructura de sensor de H2S basada en la técnica de desviación del haz y utilizando nanoestructuras de Au. El espectro de absorción de las nanoestructuras de Au depende de la presencia de gas en el medio. Al irradiar el sustrato modificado con nanoestructuras de Au, el calor generado modificaría el índice de refracción del medio circundante que podría detectarse por la desviación del haz. Proponer el enfoque de deflexión del haz facilita las mediciones (en comparación con otras técnicas espectroscópicas como SERS), mientras que la explotación de las NP de Au hace que el método de detección sea selectivo y sensible. Basado en todos los métodos ópticos explotados para este sistema, la funcionalidad de la plataforma de detección es independiente de la humedad y la temperatura y, a diferencia de los sensores electroquímicos, la operación del sensor también sería posible a altas temperaturas. El sistema es fácil de operar y no requiere equipo complicado. El funcionamiento del sistema se basa fundamentalmente en la variación de la densidad electrónica y el índice de refracción de las nanoestructuras de Au debido a la adsorción de moléculas de H2S. Además, la explotación de las nanoestructuras proporciona una respuesta más fuerte debido a su alta relación superficie/volumen, lo que proporciona una mayor superficie para la adsorción de moléculas de gas H2S. Esto mejora la sensibilidad del sistema propuesto. Si bien la adsorción de moléculas de H2S en la superficie de las nanoestructuras de oro es física y no se produce ninguna reacción química, el tiempo de recuperación del sensor es corto. Se evaluó computacionalmente el desempeño de la técnica propuesta.

La sección transversal de absorción de tres nanoestructuras de Au calculada resolviendo las ecuaciones de Maxwell utilizando el método de Mie se ilustra en la Fig. 1.

Sección transversal de absorción de Au NP.

Con el fin de encontrar el sustrato adecuado para el sistema, comparamos la variación de temperatura y el ángulo de deflexión de los sustratos de vidrio modificado y de Au modificado en las proximidades del H2S. En este sentido, la figura 2 muestra los resultados de esta comparación.

(a) Diferencia de temperatura y (b) ángulo de deflexión para los sustratos de vidrio y Au en la vecindad de H2S.

La figura 3 demuestra el perfil de variación de temperatura de la geometría en el dominio del tiempo en intervalos de tiempo de 0,6 y 4,99 s, respectivamente.

Perfil de temperatura de la geometría en dos tiempos de simulación diferentes.

El sistema BDS con un sustrato modificado se utilizó para detectar aire y H2S y los resultados se compararon para tres nanoestructuras de Au diferentes. La figura 4 muestra la variación de temperatura y el ángulo de deflexión de estas diferentes nanoestructuras en las proximidades del aire y el H2S en el sustrato modificado.

Diferencia de temperatura y ángulo de deflexión para (a) nanoesfera de Au, (b) núcleo-capa de SiO2–Au y (c) nanomatryoshka de Au–SiO2–Au en presencia de aire y H2S.

Hemos propuesto un sistema basado en BDS para la detección de H2S y se simula su rendimiento operativo. Teniendo en cuenta la aplicación de nanoestructuras de Au para mejorar la selectividad y la sensibilidad de la detección, se ha calculado el coeficiente de absorción de tres tipos de nanoestructuras de Au (incluidas la nanoesfera de Au, la estructura de núcleo-cáscara de SiO2-Au y las estructuras nanomatryoshka de Au-SiO2-Au). Como se muestra en la Fig. 1, el nanomatryoshka de Au–SiO2–Au muestra dos picos de absorción en comparación con los otros dos tipos de nanoestructuras de Au que tienen un pico de absorción que se basa en la presencia de Au en dos regiones separadas de la nanoestructura50. Además, un desplazamiento hacia el azul del pico de absorción de las tres nanoestructuras en la vecindad del H2S se asocia con un aumento de la densidad electrónica de la nanoestructura de Au debido a la adsorción de moléculas de H2S en las nanoestructuras51. Como se puede ver en la Fig. 1, el desplazamiento hacia el azul de la nanomatryoshka de Au–SiO2–Au es más distintivo que en las otras dos nanoestructuras.

Basándonos en el importante papel del sustrato en la transferencia de calor, hemos comparado la eficiencia del BDS para dos sustratos diferentes. La Figura 2 demuestra la comparación de la variación de temperatura y el ángulo de deflexión para sustratos de vidrio y Au en presencia de H2S. Como puede verse en la Fig. 2, las variaciones de temperatura y las desviaciones angulares del sustrato de vidrio son mayores que las del sustrato de oro. Esta diferencia se debe a que el Au exhibe una mayor conductancia térmica en comparación con el vidrio52. La conductividad más pequeña del sustrato de vidrio resultaría en el confinamiento del calor cerca de la superficie del sustrato, mientras que el sustrato de Au conduce el calor más fácilmente y la región entre el Au y el gas logra un calor más bajo. Considerando las razones anteriores, el vidrio es un sustrato más apropiado para el sistema BDS propuesto.

La figura 3 demuestra el perfil de temperatura de la geometría modelada, mostrando el aumento de temperatura en la estructura en respuesta al calor absorbido por el haz de láser de bomba a lo largo del tiempo.

Finalmente, se evaluó la eficiencia de tres tipos diferentes de nanoestructuras de Au en la detección de H2S por el sistema BDS. La Figura 4 muestra la variación de temperatura y el ángulo de deflexión del rayo láser en la vecindad del aire y H2S para tres nanoestructuras de Au diferentes. Los resultados demuestran que existen diferencias obvias tanto en la variación de temperatura como en el ángulo de deflexión entre el aire y el H2S para tres tipos de nanoestructuras de oro, lo que indica la sensibilidad del sistema BDS propuesto para la detección de H2S. Además, la diferencia es más pronunciada para la estructura nanomatryoshka Au-SiO2-Au, en comparación con las otras dos nanoestructuras. Por lo tanto, la máxima sensibilidad del sistema BDS para la detección de H2S es mediante la explotación de la nanomatryoshka Au-SiO2-Au. El uso de una nanoestructura de Au no solo mejora la selectividad del sistema, sino que también introduce sensibilidad a través de la variación de la densidad electrónica tras la adsorción del gas en su superficie, lo que modifica su comportamiento de resonancia de plasmón.

En nuestro enfoque de modelado propuesto, la dependencia de la temperatura de las propiedades térmicas es insignificante. Para las altas temperaturas, esta dependencia debe ser considerada e introducida en la ecuación de transferencia de calor. Para implementar el sistema, para la medición y detección de las pequeñas variaciones del haz desviado, basado en la excitación periódica de la capa sensible por el haz de la sonda, la señal de salida podría detectarse con un enfoque de bloqueo. La detección de bloqueo podría realizarse con un amplificador de bloqueo analógico o digitalmente dentro del software según corresponda.

Como se ilustra en la Fig. 5, el elemento sensor del sistema propuesto es un sustrato cubierto con nanoestructuras de Au. El sustrato se calienta periódicamente con un rayo láser (bomba) que pasa a través de un cortador. La energía absorbida del láser de bomba cambia el índice de refracción del medio adyacente. La modulación del índice de refracción del medio se detecta a través de la desviación de un segundo rayo láser (sonda) que atraviesa el medio. La deflexión podría ser detectada por el PSD o los arreglos CCD. En función de la modulación del calor con el helicóptero, también se modula la desviación, lo que facilita la detección mediante un amplificador de bloqueo.

El diagrama esquemático del sistema de detección de H2S propuesto basado en la desviación del haz.

La adsorción de H2S en la superficie de las nanoestructuras de Au daría como resultado el cambio en la concentración de electrones de las nanopartículas, lo que a su vez conduce a un cambio en la ubicación del pico SPR y culmina en diferentes valores del calor absorbido y el ángulo de deflexión en el mismo. manera. Para modelar la funcionalidad del sistema, hemos utilizado un enfoque de modelado computacional. En primer lugar, se modela el efecto de la adsorción de gas en el espectro de absorción de tres nanoestructuras de oro diferentes mediante la resolución de las ecuaciones de Maxwell. La variación de la temperatura en el medio circundante del elemento sensor (sustrato + nanoestructuras de Au) se calcula resolviendo la ecuación de transferencia de calor mediante el método de elementos finitos (FEM) en el entorno COMSOL Multiphysics versión 5.353. La desviación del rayo láser resultante del gradiente de temperatura se calculó de acuerdo con la ecuación de gobierno para la propagación del rayo láser.

Entre varios tipos de nanoestructuras de Au con diferentes geometrías, como se muestra en la Fig. 6, hemos seleccionado tres estructuras distintas que incluyen estructuras de nanoesferas de Au, SiO2-Au core-shell y Au-SiO2-Au nanomatryoshka como el componente esencial del elemento de detección. Para encontrar las propiedades ópticas de las nanoestructuras mencionadas anteriormente, se deben resolver las ecuaciones de Maxwell. Considerando la simetría esférica de las tres estructuras mencionadas, se ha seleccionado la teoría de Mie para resolver las ecuaciones de Maxwell54,55. En este sentido, las ondas iluminadas, dispersadas y absorbidas se expanden utilizando funciones de Bessel esféricas e imponiendo las condiciones de contorno para campos eléctricos y magnéticos en cada límite. El sistema de ecuaciones se resuelve para encontrar los coeficientes de cada onda. Cada estructura y material se introduce en las ecuaciones por su permitividad y permeabilidad. Para introducir el comportamiento de dispersión de la permitividad del Au se han introducido varios modelos, entre los que se ha utilizado el modelo de Drude-Lorentz

para considerar todas las transiciones entre bandas e intrabandas56, donde ɛ∞ es la constante dieléctrica muy por encima de la frecuencia del plasma, λp denota la longitud de onda del plasma, ɣp es el factor de amortiguamiento expresado en longitud de onda. λi denota la longitud de onda de transición entre bandas, ɣi es el ensanchamiento de transición (expresado como longitud de onda), Ai es la amplitud del punto crítico adimensional y ɸi representa la fase.

Diferentes tipos de nanoestructuras de Au; Estructuras de nanoesferas de Au, SiO2-Au core-shell y Au-SiO2-Au nanomatryoshka utilizadas para modificar el sustrato.

Se tuvo en cuenta el efecto de la adsorción de gas sobre la permitividad y la variación de las propiedades ópticas de las nanoestructuras de Au, en respuesta a la adsorción de H2S, para encontrar la sensibilidad del método propuesto. La longitud de onda del plasma en la ecuación. (1) se calculó mediante

donde c es la velocidad de la luz en el vacío, m representa la masa efectiva de los electrones de conducción, ɛ0 es la permitividad del vacío, e es la carga de los electrones y N es la concentración de electrones. La adsorción de H2S en la superficie de las nanopartículas de Au aumentaría localmente la densidad de electrones, lo que a su vez reduce la longitud de onda del plasma51.

El enfoque principal para calcular la desviación del haz es obtener el perfil de variación de temperatura durante el calentamiento de la muestra. Las variaciones de temperatura dependen de las características termo-ópticas y estructurales de la muestra. Para encontrar el perfil de variación de temperatura, la ecuación de transferencia de calor

debe resolverse, donde ρ es la densidad, Cp es la capacidad calorífica, k es la conductividad térmica, u es la velocidad del flujo y Q representa la fuente de calor57,58. En nuestro modelo, la fuente de calor es la energía del láser absorbida por las Au NP. La absorción dependiente de la longitud de onda de varios tipos de nanopartículas da como resultado diferentes valores para Q en consecuencia. La estructura se calienta con cinco pulsos gaussianos consecutivos con 1 segundo de ancho. La estructura geométrica del modelo se representa en la Fig. 7. Para resolver la Ec. (3) para la estructura geométrica de la Fig. 7, usamos el entorno FEM y COMSOL Multiphysics. La ecuación (3) se resuelve en el dominio del tiempo y la Tabla 1 enumera los parámetros materiales utilizados en el modelo basado en la Ec. (3).

La estructura geométrica del modelo para el sistema BDS para la detección de gas H2S. (A) muestra el contenedor de gas H2S (color azul), (B) muestra la superficie del sustrato, incluidos los Au NP (color verde), y (C) muestra la línea de corte explotada para la variación de temperatura (color rojo).

Después de obtener el perfil de variación de la temperatura a partir de la ecuación del calor, se pudo calcular la desviación del haz de la sonda-láser. En general, el ángulo de desviación dependiente del tiempo se calcula a través de

donde s denota el camino a lo largo del cual el haz de la sonda se propaga en la dirección x sobre la muestra. Teniendo en cuenta la desviación del haz en la dirección z, el ángulo de desviación se puede calcular a través de

El valor de dn/dT proporciona la variación del índice de refracción con la temperatura, y en este estudio hemos considerado un valor fijo de − 0,88 × 10–6 para este parámetro59.

Se ha propuesto un sistema basado en BDS para la detección de H2S y su rendimiento se ha analizado mediante modelado computacional. Los resultados de la simulación indican que comparando el Au y el vidrio como sustrato, el vidrio es más apropiado debido a su menor conductividad térmica. El uso de Au NP para modificar el sustrato da como resultado la selectividad del sistema para las moléculas de H2S debido a la fuerte interacción oro-tiol. Además, el comportamiento de resonancia de plasmones de las nanoestructuras de Au cambiaría debido a la adsorción de gas en la superficie de las nanopartículas que altera localmente la concentración de electrones. Entre las tres nanoestructuras de Au propuestas, la nanomatryoshka de Au–SiO2–Au exhibe una mayor sensibilidad para la detección de H2S. El sistema propuesto tiene varias ventajas de detección rápida, confiable, sensible y selectiva de las muestras de gas y podría emplearse en aplicaciones en tiempo real.

Los datos derivados que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Este artículo ha sido extraído de la tesis escrita por la Sra. Elham Afjeh-Dana en la Facultad de Medicina de la Universidad de Ciencias Médicas Shahid Beheshti (número de registro M471).

Departamento de Física Médica e Ingeniería Biomédica, Facultad de Medicina, Universidad de Ciencias Médicas Shahid Beheshti, Teherán, Irán

Elham Afjeh-Dana, Elham Asadian, Hashem Rafii-Tabar y Pezhman Sasanpour

Aplicación del láser en el Centro de Investigación de Ciencias Médicas, Universidad de Ciencias Médicas Shahid Beheshti, Teherán, Irán

Mohammad Reza Razzaghi

Rama de Física de la Academia de Ciencias de Irán, Teherán, Irán

Hashem Rafii-Tabar

Escuela de Nanociencia, Instituto de Investigación en Ciencias Fundamentales (IPM), PO Box 19395-5531, Teherán, Irán

Pezhman Sasanpour

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PS propuso la idea original y con la contribución de EAD y HRT se desarrolló el modelo computacional. EAD realizó las simulaciones. EA, HRT y MRR brindaron asesoramiento en el análisis de los resultados y las discusiones. Todos los autores contribuyeron a la redacción y edición del manuscrito.

Correspondencia a Pezhman Sasanpour.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Afjeh-Dana, E., Asadian, E., Razzaghi, MR et al. Plataforma de detección láser basada en deflexión para la detección selectiva y sensible de H2S utilizando nanoestructuras plasmónicas. Informe científico 12, 15789 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19739-8

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Recibido: 22 mayo 2022

Aceptado: 02 septiembre 2022

Publicado: 22 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19739-8

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