Fabrication of polymer nanofiber / poly (3,4 ethylene dioxythiophene) / metal particle hybrid composite for volatile organic compound sensing applications

Abstract

This study aims to produce polymer nanofiber / poly (3, 4 ethylene dioxythiophene) / metal particle hybrid composite as a bioelectronic interface for the detection of volatile organic compounds in human breath. The sensor platform consists of two layers: polymeric nanofiber structure and conductive layer. Polyurethane (PU), polycaprolactone (PCL) and poly L-lactide-co-?-caprolactone (PLLCL) were selected to form polymeric nanofibers with electrospinning. For electrospinning process, solutions of polyurethane (PU) (25wt%) in DMF, polycaprolactone (PCL) (20wt%) in DCM (4) -DMF (1) and poly L-lactide-co-?-caprolactone (PLLCL) (10wt%) in DCM (9) -DMF (1) are prepared. PU, PCL and PLLCL polymer solutions are subjected to 25 kV, 29kV and 25 kV electrical potential, respectively, to produce electrospinning fibers. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are used to produce conductive layers on PU, PCL and PLLCL polymer nanofibers. The produced sensor platforms are tested by the electrochemical station, which records the electrical current change over time. The sensing mechanism is assumed to be the adsorption of VOCs to the conductive PEDOT and CNT layer, thus blocking the electron current on the PEDOT and CNT network and causing resistance change. More clearly; swelling of the polymer structure in the sensor causes destruction in the upper layer and micro-dimensional cracks in the PEDOT and CNT network, increasing resistance to electron flow and decreasing current. Organic volatile compounds (acetone, toluene, ethanol, isopene etc.) are detected from ppm to ppb range and reproducible and reliable responses are recorded.

Bu çalışma, insan nefesindeki uçucu organik bileşiklerin saptanması için bir biyoelektronik arayüz olarak polimer nanofiber / poli (3,4 etilen dioksitiofen) / metal parçacık hibrid kompozit üretmeyi amaçlamaktadır. Sensör platformu iki katmandan oluşur: polimerik nanofiber yapı ve iletken katman. Elektroeğirme metodu ile polimerik nanofiberler oluşturmak için poliüretan (PU), polikaprolakton (PCL) ve poli L-laktit-ko-p-kaprolakton (PLLCL) seçilmiştir. Elektroeğirme yöntemi için polimer çözeltileri şu şekilde hazırlanmıştır: PU (wt 25%) + DCM-DMF, PCL (wt 20%) + DCM-DMF ve PLLCL (wt 10%) + DCM-DMF. PU, PCL ve PLLCL polimer çözeltileri, elektrospun fiberler üretmek için sırasıyla 25 kV, 29kV ve 25 kV elektrik potansiyeline maruz bırakılır. Poli (3,4-etilendioksitiofen) (PEDOT) ve çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT'ler), PU, PCL ve PLLCL polimer nanofiberleri üzerinde iletken katmanlar üretmek için kullanılır. Üretilen sensör platformları, zaman içindeki elektrik akımı değişimini kaydeden elektrokimyasal istasyon tarafından test edilir. Algılama mekanizmasının, VOC'lerin iletken PEDOT ve CNT katmanına adsorpsiyonu olduğu varsayılır, böylece PEDOT ve CNT ağı üzerindeki elektron akımını bloke eder ve direnç değişikliğine neden olur. Daha açık bir şekilde; sensördeki polimer yapısının şişmesi, PEDOT ve CNT ağında üst katman ve mikro boyutlu çatlaklara zarar vererek elektron akışına karşı direnci arttırır ve akımı azaltır. Organik uçucu bileşikler (aseton, toluen, etanol, izopen vb.) ppm ila ppb aralığında tespit edilir ve tekrarlanabilir ve güvenilir tepkiler kaydedilir.