ساخت نانوحسگر گازی حساس به استون بازدم انسان برپایه نانوساختار متخلخل WO3 جهت پایش بیماران دیابتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک‌، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران

2 گروه شیمی آلی و بیوشیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز

چکیده

هدف این پژوهش، ساخت حسگر مبتنی بر نیم­ رسانا اکسید فلزی تری­اکسید تنگستن، با قابلیت آشکارسازی گاز استون حاصل از بازدم است. مشخصات ساختاری نمونه تهیه شده، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و دستگاه پراش پرتو ایکس مورد بررسی قرار گرفت. مشخصه­ یابی نانوذره و نمونه نانوساختار کروی متخلخل سنتز شده توسط آنالیز­های DLS،BET  و BJH  انجام شد. پودرهای به دست آمده، به روش ته ­نشینی بر روی الکترودهای شانه ­ای لایه‌نشانی شده و مقاومت الکتریکی الکترودها در معرض استون و تعدادی از گاز­های فرار اندازه‌گیری شد. به منظور بررسی قدرت انتخاب‌گری حسگرها، حساسیت آن­ها به چند نمونه از گازهای آلی فرار با افزایش دمای حسگر به C° 200 و C° 300 نیز مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که استفاده از نانوساختارهای متخلخل تری اکسید تنگستن در غلظت­های کمتر ازppm  5­، با عملکرد خطی بسیار مطلوب، حساسیت حسگری معادل %/ppm 44/44 را ارایه می ­کند. ارزیابی ­های کمی اثبات کرد قدرت انتخاب‎‌گری همین نانوساختار نسبت به غلظت ppm 8/1 از استون به عنوان غلظت آستانه‌ی نشانگر زیستی دیابت نوع اول­، در حضور چندین گاز آلی مزاحم بسیار عالی و بهبود 6 برابری را نشان داد. پاسخ حسگر در غلظت­های معینی از استون نسبت به سایر مراجع به میزان 8 درصد برتری داشته است. همچنین، حسگر ساخته شده با زمان پاسخ 18 ثانیه ­ای واکنش سریع­تری دارد که در مقایسه با بهترین نمونه ی ارایه شده در حدود 21 درصد بهبود یافته است.  

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Fabrication of sensitive nanosensor to human exhaled acetone based on WO3 porous nanostructure for monitoring diabetic patients

نویسندگان [English]

  • Ayub Karimzad Ghavidel 1
  • Mahsa Mahdavinia 2
  • Gholamreza Kiani 2
1 Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran
2 Department of Organic Chemistry and Biochemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
چکیده [English]

The aim of this research is the fabrication of nanosensor based on the metal oxide semiconductor tungsten trioxide with the ability to detect acetone gas from exhalation. The structural characteristics of the prepared samples were examined by scanning electron microscope and X-ray diffraction. The characterization of synthesized and porous spherical nanostructure were performed by DLS, BET and BJH analyses. The obtained powders were coated on an inter-digitated electrode by deposition method and the electrical resistivity was measured exposed to acetone and some volatile gases. In order to evaluate the sensore selectivity of the sensors, their sensitivity to several samples of volatile organic gases was also examined by increasing the temperature of the sensor to 200°C and 300°C. The obtained results showed that using of tungsten trioxide porous nanostructures in concentrations less than 5 ppm, with very promising linear performance, offers a sensor sensitivity of 44/44 %/ppm. Quantitative evaluations proved that the sensor selectivity of this nanostructure is excellent to acetone at the concentration of 1.8 ppm as the threshold concentration of type 1 diabetes biomarker in the presence of several disturbing organic gases. The response of the sensor in certain concentrations of acetone has been superior to other references. The fabricated sensor with a response time of 18 seconds reacts faster, which is improved by about 21% compared to the best sample presented.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanosensor
  • Acetone
  • Metal oxide semiconductors
  • Tungsten trioxide
  • Type 1 diabetes
  • Biomarker

مراجع

[1] W. Cao, Y. Duan, Clinical Chemistry, 52, 800-811, (2006).
]2[ B.Buszewski, M. Kęsy, T. Ligor, Biomedical Chromotography, 21, 553-566, (2007).
]3[ M. Righettoni, A. Schmid, A. Amann, Journal of Breath Research, 7, 037110, (2013).
]4[ A. Rydosz, Sensors, 18, 2298, (2018).
]5[ J. Chang, D.S. Lee, S.W. Ban, Sensors and Actuators B, 255, 800–807, (2018).
]6[ L. Bos, P. J Sterk, S. J Fowler, Journal of Allergy and Clinical Immunology, 138, 970–976, (2016).
]7[ A. Rydosz, Journal of Diabetes Science and Technology, 9, 881–884, (2015).
]8[ M. Righettoni, A. Tricoli, S. Gass, Analytica Chimica Acta, 738, 69–75, (2012).
]9[ J. C .Anderson, Obesity, 23, 2327–2334, (2015).
]10[ V. Saasa, T. Malwela, M. Beukes, M. Mokgotho, Diagnostics, 8, 12, (2018).
]11[ L. Bregy, Y. Nussbaumer, Clinical Mass Spectrometry, 7, 29–35, (2018).
]12[ H. Ali, F. Bensaali, F. Jaber, IEEE Access, 5, 9163–9174, (2017).
]13[ Y. Obeidat, IEEE Sensors Journal, 21, 14540-14558, (2021).
]14[ R. Yoo, Y. Park, H. Jung, H. J. Rim, Journal of Alloys and Compounds, 803, 135–144, (2019).
]15[ M. Ahmadipour, A.L. Pang, M. R Ardani, S.Y. Pung, Materials Science in Semiconductor Processing, 149, 106897, (2022).
]16[ S. I.Hwang, H. Y. Chen, C. Fenk, ACS sensors, 6, 871-880, (2021).
]17[ M. Yin, L. Yu, S. Liu, Journal of Alloys and Compounds, 696, 490-497, (2017).
]18[ H. Jamalabadi, N. Alizadeh, IEEE Sensors Journal, 17, 2322-2328, (2017).
]19[ M. Narjinary, P. Rana, A. Sen, Materials & Design, 115, 158-164, (2017).
]20 [G. Li, Z. Cheng, Q. Xiang, L Yan, Sensors and Actuators B: Chemical, 283, 590-601, (2019).
]21[ S . Ghaderi, Donyayenano, 13, 34-37, (2017).
]22 [ G.Nabiyouni, Donyayenano, 10, 51-53, (2014).
]23 [S.V Ryabtsev,  A. V.  Shaposhnick, A. N Lukin, Sensors and Actuators B: Chemical, 59, 26-29, (1999).
]24[  Y. Dong Li, Inorganic Chemistry, 43, 5442–5449, (2003).
]25[ R.S. Khadayate, J. V. Sali, P. P. Patil, Talanta, 72, 1077-1081, (2007).
]26[ A. A. Baharuddin, B. C Ang, A. Haseeb, Y. C Wong, Materials science in semiconductor processing, 103, 104616, (2019).
]27[ L. Wang, A. Teleki, S. E. Pratsinis, & P. I. Gouma, Chemistry of Materials, 20, 4794-4796, (2008).
]28[ N. Asim, American Journal of Applied Sciences, 6, 424-1428, (2009).
]29[ L. Zhang, X. Tang, Z. Lu, Z. Wang, Applied Surface Science, 258, 1719-1724, (2011).
]30[ H. Esch, G. Huyberechts, R. Mertens, G. Maes, Sensors and Actuators B, 65, 190-192, (2000).
]31[ J. Hyun Park, K. H. Kim, Sensors and Actuators B, 56, 50-58, (1999).
]32[  L. Zhang, X. Tang, Z. Lu, Z. Wang, L. Li, Y. Xiao, Applied Surface Science, 258, 1719-1724, (2011).
]33[ R. Hatel, M. Baitoul, In Journal of Physics: Conference Series, 1292, 012014, (2019).
]34 [ N.K Pandey, K. Tiwari, A. Roy, IEEE Sensors Journal, 11, 2911-2918, (2011).
]35[ F. Piri, M. Merajoddin, S. Piri, Z. Mokarian, Asian Journal of Nanosciences and Materials, 4, 240-245, (2021).
]36 [ M. Santhosh, K. S Devaky, M. K. Jayaraj, Materials Today: Proceedings, 25, 183-185, (2020).
]37 [J. O. Tijani,  O. Ugochukwu, L. A. Fadipe, M. T Bankole, Applied Physics A, 125, 1-12, (2019).
]38 [ C. Popa, A. M. Bratu, M. Petrus, Microchemical Journal,139, 196-202, (2018).
]39 [ M. Hakim, Y.Y. Broza, O, Barash, N. Peled, Chemical Reviews, 112, 5949–5966, (2012).
]40 [ J. S. Jang, S. J Choi, S. J Kim, M. Hakim, Advanced Functional Materials, 26, 4740–4748, (2016).
]41 [ M. David,  Journal of the Chemical Society-Faraday Transactions, 1, 403-417, (1978).
]42 [ M. El-Maazawi, A. N Finken, A. B. Nair, Journal of Catalysis, 191, 138-146, (2000).
]43 [W.S. Sim, D. A. King, Journal of Physical Chemistry, 100, 14794-14802, (1996).
]44 [ E. I. Altman, M. Li, D. Liao, Journal of Physical Chemistry C, 111, 13951-13956, (2007).
]45 [E. Ramos-Moore, J. A. Baier-Saip, A. L. Cabrera, Surface Science, 600, 3472-3476, (2006).
]46 [ I. Schechter, M. Ben-Chorin, A. Kux, Analytical Chemistry, 67, 3727-3732, (1995).
]47 [ T. Xiao, X. Y. Wang, Z. H. Zhao, Sensors and Actuators B: Chemical, 199, 210-219, (2014).
]48 [ X. Zhang, B. Dong, W. Liu, X. Zhou, Sensors and Actuators B: Chemical, 320, 128405, (2020).
دنیای نانو
دوره 18، شماره 68
آذر 1401
صفحه 28-42

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 16 شهریور 1401
  • تاریخ بازنگری: 11 مهر 1401
  • تاریخ پذیرش: 03 آبان 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار