لایه حساس متخلخل پلی(وینیل‌الکل)-نانولوله کربن برای شناسایی زیست‌شناساگرهای سرطان ریه

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

اصفهان، دانشگاه اصفهان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی، صندوق پستی 81746-81746

10.22063/jipst.2020.1731

چکیده

فرضیه‌: ایجاد تخلخل در لایه حساس کامپوزیت پلیمری رسانا موجب بهبود متغیرهای عملکردی حسگر شناسایی گاز تهیه‌شده می‌شود.
روش‌ها: در این پژوهش، از کامپوزیت متخلخل پلی(وینیل‌الکل)-نانولوله کربن به‌عنوان لایه حساس برای شناسایی متانول، اتانول و آب (به‌عنوان زیست‌شناساگرهای سرطان ریه) استفاده شد. تخلخل در ماتریس پلیمری با روش جدایی فاز القایی با بخار ایجاد شد. محلول شامل %2 وزنی پلیمر در آب و %4 وزنی نانولوله کربن بود. فیلم تهیه‌شده از این محلول برای ایجاد تخلحل در معرض بخار استون قرار گرفت. شکل‌شناسی کامپوزیت متخلخل تهیه‌شده با آزمون‌های میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) و BET مطالعه شد. پاسخ لایه‌های حساس تهیه‌شده در برابر ماده مورد تجزیه هدف با دستگاه آزمون بخار بررسی شد.  
یافته‌ها: عکس‌های SEM ساختار متخلخل گره‌دار کامپوزیت ساخته‌شده را نشان داد. آزمون BET نیز حاکی از افزایش شایان توجه مقدار سطح ویژه کامپوزیت متخلخل در مقایسه با نمونه چگال بود. نتایج نشان داد، مقدار سطح ویژه تا 10.93m2/g برای کامپوزیت متخلخل افزایش یافت. نتایج آزمون شناسایی گاز نشانگر بهبود چشمگیر متغیرهای عملکردی حسگر مانند حساسیت و زمان پاسخ در کامپوزیت متخلخل در مقایسه با نمونه چگال بود. آستانه تشخیص (LLD) نمونه چگال و کامپوزیت‌های متخلخل نسبت به بخار آب به‌ترتیب 50 و 1000ppm بود. دلیل افزایش را می‌توان به افزایش سطح ویژه کامپوزیت و در نتیجه افزایش دسترسی مولکول‌های ماده مورد تجزیه به موقعیت‌های حساس کامپوزیت پلیمری رسانا نسبت داد. همچنین، پاسخ‌ لایه حساس تهیه‌شده بر اساس عامل‌های ترمودینامیکی مختلف بررسی شد. نتایج نشانگر این بود که δa (جمع‌برداری اجزای پارامتر حل‌پذیری برهم‌کنش هیدروژنی و قطبی) به‌خوبی می‌تواند حساسیت کامپوزیت پلیمری رسانا تهیه‌شده را توجیه کند.   

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Porous Poly(vinyl alcohol)/Carbon Nanotube Sensitive Layer for Detection of Lung Cancer Biomarkers

نویسندگان [English]

  • Asma Noormohammad
  • Payam Molla-Abbasi
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan P.O. Box 81746-73441, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Introducing the porosity into the conductive polymer composite (CPC) sensitive layer improves the performance parameters of the prepared gas detectors.
Methods: In this research, porous poly(vinyl alcohol)/carbon nanotube (CNT) composite was used as the sensitive layer for detecting methanol, ethanol, and water (as lung cancer biomarkers).
Vapor-induced phase separation method was used for introducing the porosity into the polymer matrix. The solution consisted of 2% (by wt) polymer in water and 4% (by wt) CNT. The film was exposed to the acetone vapor for introducing the porosity. The morphology of the prepared porous composite was investigated by SEM and BET tests. The responses of prepared sensitive layers toward the target analytes were analyzed by a home-made apparatus.     
Findings: The SEM images indicated the porous structure of the composite with nodular structures. Also, the BET test indicated the remarkable increase in the specific surface area of the porous composite in comparison with the dense one. The results showed that the specific surface area was increased to10.93 m2/g for porous composite. The final results illustrated the remarkable improvement in performance parameters such as response time and sensitivity in porous composites. The lower level of detection (LLD) of dense and porous composites toward water vapor was equal to 1000 and 50 ppm, respectively. Such enhancement was related to the increasing the specific surface area of the composite, and consequently, increasing the accessibility of analyte molecules to the sensitive sites of CPCs. Also, the response of the prepared sensitive layer was investigated based on the thermodynamic. The final investigations indicated that δa correctly explained the sensitivity of prepared CPCs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • conductive polymer composite
  • poly(vinyl alcohol)
  • gas detector
  • vapor-induced phase separation
  • lung cancer biomarkers
  1. Xiao Z., Kong L. B., Li X., Yu S., Li X., Jiang Y., Yao Z., Ye S., Wang C., and Zhang T., Recent Development in Nanocarbon Materials for Gas Sensor Applications, Sensor. Actuat. B-Chem, 274,  235-267, 2018.
  2. Briand D. and Courbat J.,  Micromachined Semiconductor Gas Sensors, Semiconductor Gas Sensors, Elsevier, 413-464, 2020.
  3. Harale N.S., Nagare A.B., Mali S.S., Suryawanshi M.P., Sharma K.K.K., Rao V.K., Hong C.K., Kim J.H., and Patil P.S., Facile Synthesis of Nanofibrous Polyaniline Thin Films for Ammonia Gas Detection, J. Electron. Mater., 49, 1338-1347, 2020.
  4. Ghazizadeh E., Hassanajili S., and Hojjati M., Preparation of Gas Sensor Based on Polymer Nanocomposite for Qualitative Detection of Hydrogen Sulfide, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 443-454, 2016.
  5. Molla-Abbasi P. and Shabanian M., A Bulky Aromatic Functional Polyimide Composite as a Sensitive Layer for the Detection of Organic Compound Biomarkers, Iran. Polym. J., 28, 203-211, 2019.
  6. Daneshkhah A., Shrestha S., Agarwal M., and Varahramyan K., Poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) Composite Sensors for Volatile Organic Compounds Detection in Breath, Sensor. Actuat. B-Chem., 221, 635-643, 2015.
  7. Nag S., Sachan A., Castro M., Choudhary V., and Feller J., Spray Layer-by-Layer Assembly of Poss Functionalized CNT Quantum Chemo-Resistive Sensors with Tuneable Selectivity and ppm Resolution to VOC Biomarkers, Sensor. Actuat. B-Chem., 222, 362-373, 2016.
  8. Surya S., Salam A.D., Tomy D.V., Carla B., Kumar R.A., and Sunil C., Diabetes Mellitus and Medicinal Plants-A Review, Asian Pac. J. Trop. Dis., 4, 337-347, 2014.
  9. Fratoddi I., Venditti I., Cametti C., and Russo M.V., Chemiresistive Polyaniline-Based Gas Sensors: A Mini Review, Sensor. Actuat. B-Chem., 220, 534-548, 2015.
  10. Lonergan M.C., Severin E.J., Doleman B.J., Beaber S.A., Grubbs R.H., and Lewis N.S., Array-Based Vapor Sensing Using Chemically Sensitive, Carbon Black−Polymer Resistors, Chem. Mater., 8, 2298-2312, 1996.
  11. Doleman B.J., Lonergan M.C., Severin E.J., Vaid T.P., and Lewis N.S., Quantitative Study of the Resolving Power of Arrays of Carbon Black-Polymer Composites in Various Vapor-Sensing Tasks, Anal. Chem., 70, 4177-4190, 1998.
  12. Molla-Abbasi P., Ghaffarian S.R., and Danesh E., Porous Carbon Nanotube/PMMA Conductive Composites as a Sensitive Layer in Vapor Sensors, Smart Mater. Struct., 20, 105012, 2011.
  13. Aghajari E., Morady S., Navid Famili M.H., Zakiyan S.E., Golbang A., Responses of Polystyrene/MWCNT Nanocomposites to Electromagnetic Waves and the Effect of Nanotubes Dispersion, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 27, 193-201, 2014.
  14. Molla-Abbasi P. and Ghaffarian S., Decoration of Carbon Nanotubes by Chitosan in a Nanohybrid Conductive Polymer Composite for Detection of Polar Vapours, RSC Adv., 4, 30906-30913, 2014.
  15. Molla-Abbasi P., Reza Ghaffarian S., and Dashtimoghadam E., Wrapping Carbon Nanotubes by Biopolymer Chains: Role of Nanointerfaces in Detection of Vapors in Conductive Polymer Composite Transducers, Polym. Compos., 37, 2803-2810, 2016.
  16. Briglin S.M. and Lewis N.S., Characterization of the Temporal Response Profile of Carbon Black−Polymer Composite Detectors to Volatile Organic Vapors, J. Phys. Chem. B, 107, 11031-11042, 2003.
  17. Yuan W., Huang L., Zhou Q., and Shi G., Ultrasensitive and Selective Nitrogen Dioxide Sensor Based on Self-Assembled Graphene/Polymer Composite Nanofibers, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 17003-17008, 2014.
  18. Lala N., Thavasi V., and Ramakrishna S., Preparation of Surface Adsorbed and Impregnated Multi-Walled Carbon Nanotube/Nylon-6 Nanofiber Composites and Investigation of Their Gas Sensing Ability, Sensors, 9, 86-101, 2009.
  19. Matsuyama H., Tachibana M., Maki T., and Teramoto M., Light-Scattering Study on Porous Membrane Formation by Dry-Cast Process, J. Appl. Polym. Sci, 86, 3205-3209, 2002.
  20. Sun X., Sun G., and Wang X., Morphology Modeling for Polymer Monolith Obtained by Non-Solvent-Induced Phase Separation, Polymer, 108, 432-441, 2017.
  21. Matsuyama H., Teramoto M., Nakatani R., and Maki T., Membrane Formation via Phase Separation Induced by Penetration of Nonsolvent from Vapor Phase. II. Membrane Morphology, J. Appl. Polym. Sci., 74, 171-178, 1999.
  22. Venault A., Chang Y., Wang D.M., and Bouyer D., A Review on Polymeric Membranes and Hydrogels Prepared by Vapor-Induced Phase Separation Process, Polym. Rev., 53, 568-626, 2013.
  23. Caquineau H., Menut P., Deratani A., and Dupuy C., Influence of the Relative Humidity on Film Formation by Vapor Induced Phase Separation, Polym. Eng. Sci., 43, 798-808, 2003.
  24. Soleimani E., Aghamiri S. F., Molla-Abbasi P., and Shabanian M., Tuning the Polymer–Graphene Interfaces by Picric Acid Molecules to Improve the Sensitivity of a Prepared Conductive Polymer Composite Gas Detector, Iran. Polym. J., 29, 1-10, 2020.
  25. Danesh E., Ghaffarian S.R., and Molla-Abbasi P., Non-Solvent Induced Phase Separation as a Method for Making High-Performance Chemiresistors Based on Conductive Polymer Nanocomposites, Sensor. Actuat. B-Chem.,155, 562-567, 2011.
  26. Monsef K., Homayoonfal M., and Davar F,  Modification of Structural Properties of Nanocomposite Membranes for Improving Dye Separation from Textile Effluents, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 475-492, 2018.
  27. Hansen C. M., Hansen Solubility Parameters: A User’s Handbook, CRC, 2002.
  28. Kumar B., Castro M., and Feller J.F., Poly(lactic acid)–Multi-Wall Carbon Nanotube Conductive Biopolymer Nanocomposite Vapour Sensors, Sensor. Actuat. B-Chem., 161, 621-628, 2012.
  29. Noormohammad A. and Molla-Abbasi P., An Analytical Investigation on the Effect of Porous Conductive Cellulose Acetate Composite Morphology on the Detection of Organic Compounds, Polym. Eng. Sci., 2020. DOI10.1002/PEN.25407
  30. Tripathi K., Sachan A., Castro M., Choudhary V., Sonkar S., and Feller J., Green Carbon Nanostructured Quantum Resistive Sensors to Detect Volatile Biomarkers, Sustainable Mater.Technol., 16, 1-11, 2018.
  31. Maity D., Rajavel K., and Kumar R.T.R., Polyvinyl Alcohol Wrapped Multiwall Carbon Nanotube (MWCNTs) Network on Fabrics for Wearable Room Temperature Ethanol Sensor, Sensor. Actuat. B-Chem., 261, 297-306, 2018.