ساخت زيست‌نانوحسگر گرمايي فراحساس بر پايه نانوكامپوزيت پلي‌پيرول-گرافن

Fabrication of Ultrasensitive Bio-Nanosensor Based on Polypyrrole/Graphene Nanocomposite

اندازه‌گيري دقيق دما در حوزه‌هاي مختلف پزشكي و صنعتي اهميت ويژه‌اي دارد. اخيراً، با گسترش نانوفناوري، پژوهشگران سعي در عرضه نانوحسگرهاي گرمايي داشته‌اند. هدف از پژوهش حاضر توليد نانوحسگر گرمايي فراحساس است كه بتواند در پايش دماي بدن انسان و زمينه‌هاي صنعتي به‌كار گرفته شود. روش‌ها: نانوكامپوزيت‌هاي پلي‌پيرول و گرافن با درصدهاي مختلف سنتز شدند. مشخصات ساختاري نانوكامپوزيت‌هاي حاصل، با ميكروسكوپي الكتروني پويشي و طيف‌شناسي پراش پرتو X بررسي شد. يافته‌ها: نتايج نشان داد، گرافن و پلي‌پيرول سنتزي به‌ترتيب ساختار صفحه‌اي با ضخامت 100nm و اليافي با قطر 150nm دارند. همچنين طيف پرتو X نانوكامپوزيت %0.5 وزني، بيانگر تركيب مناسب گرافن و پلي‌پيرول با يكديگر بود. نتايج ارزيابي زيست‌حسگر گرمايي نمونه‌ها نشان داد، پلي‌پيرول خالص در محدوده دمايي 80-25 درجه سلسيوس با حساسيت 218 در مقايسه با ساير نمونه‌ها رده نخست را به خود اختصاص داده است. اما رفتار غيرخطي كاربرد آن را محدود ساخته است. در اين بازه دمايي حسگر نانوكامپوزيت 0.5 وزني به‌ترتيب با حساسيت، ضريب مقاومت دمايي و زمان‌هاي پاسخ و بازيابي 197، 1.7، 78 و 170s بهينه‌ترين عملكرد را نشان داد. در محدوده دمايي 40-35C، براي پايش دماي بدن انسان، نيز حسگر نانوكامپوزيتي %0.5 وزني، بهترين عملكرد خطي را با حساسيت 20.5 ضريب دماي مقاومتي 2.26 و زمان‌هاي پاسخ و بازيابي 21 و 34s دارد كه در مقايسه با نمونه‌هاي مشابه به‌ترتيب 23.9 و 1.8 برابر بهبود يافته است. در جمع‌بندي نهايي، حسگر نانوكامپوزيتي با غلظت 0.5% وزني، ايده‌آل‌ترين نانوحسگر ارزيابي شد كه در دو حوزه صنعتي و پزشكي مي‌تواند به‌كار گرفته شود.

Accurate temperature measurement is of particular importance in various medical and industrial fields. Researchers have recently developed heat-sensitive sensors with the development of nanotechnology. The goal of the present research is the fabrication of an ultra-sensitive thermal nanosensor that can be applied to monitor human body temperature and industrial tasks. Methods: For this purpose, polypyrrole and graphene nanocomposites were synthesized with different percentages. The structural characteristics of the obtained nanocomposites were assessed by electron scanning microscopy and X-ray diffraction spectroscopy (XRD). Findings: The results showed that synthetic graphene and polypyrrole are in the shape of sheets and fiber with a thickness less than 100 nm and diameter of 150 nm, respectively. The XRD spectrum of the 0.5% (by wt) nanocomposite also indicated a suitable combination of graphene and polypyrrole. The thermal biosensor evaluations of samples disclosed that pure polypyrrole allocated the first rank compared to other samples in the temperature range of 25-80°C, with a sensitivity of 218 kΩ/°C, but its nonlinear behavior limited its applicability. In this temperature range, 0.5% (by wt) nanocomposite sensor showed the highest optimal performance with the sensitivity, temperature coefficient resistance (TCR), response and recovery time of 197 kΩ/°C, -1.17 %°C-1, 78 and 170 s, respectively. In the temperature range of 35-40°C, to control the human body temperature, the nanocomposite sensor with the concentration of 0.5% (by wt) has the best linear performance with a sensitivity of 20.5 kΩ/˚C, TCR of -2.26% per°C and response and recovery times of 21 and 34 s. In comparison to similar samples, this nanocomposite has improved by 23.9 and 1.8 times, with respective to the above recovery time. In the final conclusion, the nanocomposite sensor with a concentration of 0.5% (by wt) was designated as the most ideal nanosensor that can be utilized in industrial as well as medical fields.