طراحی نانوحسگر برای بررسی ترکیبات موجود در بازدم

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک گروه تحقیقاتی به تازگی با انتشار مقاله‌ای در مجله Sensors and Actuators A: Physical، اثربخشی دستگاه‌های حسگر ترکیبی آلی فرار (VOC) حاوی لایه نازک اکسید فلزی را در نظارت بر غلظت VOC نشان دادند.

تجزیه و تحلیل بازدم به دلیل پتانسیل آن در پزشکی دقیق و تشخیص زودهنگام بیماری‌ها مورد توجه گسترده جامعه علمی قرار گرفته است. این تجزیه و تحلیل غیر تهاجمی چندین مزیت مانند تشخیص کمی/کیفی بیماری و کارایی هزینه را ارائه می‌دهد.

تجزیه و تحلیل غلظت VOC در بازدم می‌تواند به نظارت بر وضعیت متابولیک و تشخیص بیماری کمک کند. با این حال، تشخیص یک VOC خاص با غلظت در محدوده ppb/ppm با استفاده از روش‌های مرسوم دشوار است.

در حسگر‌های فیبر نوری، روش موج ناپایدار اصلاح‌شده با روکش معمولاً برای بهبود عملکرد حسگر استفاده می‌شود. در این روش، بخش کوچکی از روکش برداشته شده و با یک لایه نانوذره‌ای (NP) جایگزین می‌شود. اگرچه لایه‌های حسگر NP بسیار حساس هستند و ساخت آن‌ها آسان است، اما پایداری کمتر و تکرارپذیری پایینی دارند.

نیمه هادی‌های اکسید فلز (MOSs) به دلیل پایداری حرارتی و شیمیایی بالا و نسبت سطح به حجم بالا، مناسب‌تر از NP‌ها هستند. به طور خاص، نیمه‌هادی‌های باند پهن نوع n مانند اکسید قلع (SnO ۲) و اکسید روی (ZnO) به طور گسترده به‌عنوان لایه‌های حسگر برای تشخیص VOC استفاده می‌شوند، زیرا دارای شرایط نوری مناسب، مانند ضریب شکست بالاتر، برای سنجش هستند.

عملکرد حسی اکسید‌های فلزی را می‌توان با دوپ کردن آن‌ها با نانوذرات فلزی مانند آلومینیوم (Al) بیشتر بهبود بخشید.

در این مطالعه، محققان لایه‌های نازکی از SnO ۲، ZnO، و اکسید روی آلاییده شده با آلومینیوم (AZO) را روی یک هسته فیبر نوری بدون پوشش برای ساخت پروب‌های حسگر VOC پوشش دادند و عملکرد پروب‌های حسگر را در برابر چندین غلظت VOC بررسی کردند.

دستگاه بیضی‌سنج، طیف‌سنجی مرئی ماوراء بنفش (UV-Vis)، پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف‌سنجی پراکنده انرژی (EDS)، و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای توصیف لایه‌های نازک اکسید فلزی رسوب‌شده استفاده شد.

ویژگی‌های طیفی، تغییرات شدت، و پاسخ حسگر پروب‌های حسگر ساخته شده در برابر VOC‌های مختلف که شامل ایزوپروپانول (IPA)، اتانول، استوفنون و استون در غلظت‌های ۰-۲۵۰ ppm هستند، مورد ارزیابی قرار گرفت.

تصاویر SEM رسوب کندوپاش یکنواخت اکسید‌های فلزی را بر روی بخش بدون پوشش فیبر نوری نشان دادند. نتایج نشان داد که دانه‌های سطحی لایه‌های حسگر نیز به طور یکنواخت توزیع شده بودند، بررسی لایه‌های اکسیدروی، AZO و SnO ۲ فیلم‌های ۵۵ نانومتر، ۷۰ نانومتر و ۴۴ نانومتر را نشان داد.

شکاف باند نوری SnO ۲، AZO و ZnO به ترتیب ۳٫۸۹ eV، ۳٫۳۵ eV و ۳٫۴۸ eV بود. مقاومت خروجی تمام پروب‌های حسگر پس از عبور از محفظه حسگر حاوی ۲۵۰ ppm IPA کاهش یافت. تمام پروب‌های حسگر در شرایط بازتاب داخلی جزئی کار می‌کنند.

پروب حسگر پوشش داده شده با SnO ۲ پاسخ حسگر بهتری را در مقایسه با سایر فیلم‌های نازک نشان داد. پاسخ حسگر تا ۲۱٫۲ درصد برای IPA، با زمان بازیابی و زمان پاسخ ایده‌آل به ترتیب ۲۱ و ۱۷ ثانیه به دست آمد.

عملکرد SnO ۲ به مدت هفت روز با انحراف خطای قابل قبول ۶٫۶ درصد از روز اول نسبتاً پایدار باقی ماند. حد تشخیص پروب حسگر پوشش داده شده با SnO ۲، ۳۰۰ ppb بود.

در مجموع، یافته‌های این مطالعه نشان داد که حسگر‌های VOC فیبر نوری با لایه نازک اکسید فلز، به‌ویژه حسگر‌های پوشش‌داده شده با SnO ۲، می‌توانند به طور موثر غلظت VOC را در طیف وسیعی از کاربرد‌های زیست‌پزشکی اندازه‌گیری کنند.