Un completamente a getto d'inchiostro

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 40 (2022) Citare questo articolo

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È stato utilizzato un metodo per fabbricare una matrice di sensori di gas completamente stampata a getto d'inchiostro su carta fotografica. Una matrice di elettrodi comprendente 36 elettrodi interdigitali in un layout ad alta densità facile da integrare è stata fabbricata utilizzando una combinazione di inchiostro isolante e inchiostro d'argento commerciale. Gli inchiostri polimerici a impronta molecolare (MIP) sono stati quindi realizzati utilizzando un semplice metodo di miscelazione della soluzione e questi inchiostri sono stati stampati insieme all'inchiostro nero carbone sulla matrice dell'elettrodo per completare la produzione del sensore. Infine, il rilevamento dinamico sperimentale di composti organici volatili verifica che per il rilevamento di gas corrispondenti alle molecole modello MIP, lo strato MIP offre miglioramenti sia in termini di sensibilità che di selettività rispetto agli strati polimerici non impressi. La matrice può produrre una risposta superiore al 20% a 3 ppm di gas di acido propenoico attraverso la regolazione dei tempi di stampa per lo strato di nerofumo e lo strato MIP.

I composti organici volatili (COV) sono presenti nell'aria degli ambienti interni ed esterni1. L'esposizione a lungo termine ai COV contenenti aria avrà effetti negativi sulla salute umana e potrebbe causare la cosiddetta sindrome dell'edificio malato2,3. Inoltre, anche la pelle e alcune parti del corpo umano producono alcuni COV4. La produzione di questi COV è correlata al sesso, all’età, alla genetica, allo stato fisiologico e alle abitudini alimentari5,6. Pertanto, lo sviluppo di metodi di monitoraggio dei COV semplici ma efficaci, in particolare per il monitoraggio dei COV a temperatura ambiente, è importante per campi quali il monitoraggio della qualità dell’aria, il monitoraggio della salute umana e la diagnosi medica. Tradizionalmente, i COV vengono analizzati tramite il metodo gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS)7. Tuttavia, a causa degli svantaggi della GC-MS, ad esempio costi elevati, grandi volumi e analisi non in tempo reale, è necessario sviluppare sensori per rilevare i composti organici. Recentemente, per il rilevamento dei COV sono stati sviluppati sensori tra cui sensori di risonanza plasmonica localizzata (LSPR)8, sensori di microbilancia a cristalli di quarzo (QCM)9, sensori di onde acustiche superficiali10 e sensori di ossido di metallo11.

I sensori di gas di tipo chemiresistore sono stati ampiamente studiati e utilizzati per rilevare i COV grazie ai vantaggi che includono il rapporto costo-efficacia, un meccanismo di rilevamento semplice e una facile integrazione12. Il loro principio di funzionamento è che quando il gas target esiste, può interagire con il materiale di rilevamento attraverso legami covalenti, legami idrogeno o riconoscimento molecolare, provocando la resistenza del materiale di rilevamento al cambiamento13. Il gas può quindi essere rilevato misurando la resistenza del materiale sensibile. Un sensore di gas a chemiresistore di base comprende una serie di elettrodi interdigitali e uno strato di rilevamento che copre gli elettrodi14,15. I metodi comuni di fabbricazione dello strato sensibile includono il rivestimento a goccia16, il rivestimento a rotazione17, la serigrafia18 e la stampa a getto d'inchiostro19. Tra questi metodi, lo sviluppo di sensori di gas chemiresistori su substrati flessibili utilizzando la stampa a getto d'inchiostro sta diventando un'importante area di ricerca20,21. Questo metodo ha attirato molta attenzione perché i vantaggi di questo tipo di sensore includono un'elevata sensibilità di monitoraggio, leggerezza, buona flessibilità e progettabilità22,23.

Tuttavia, i COV sono composti da una matrice complessa di sostanze chimiche, indipendentemente dal fatto che provengano da inquinanti atmosferici24 o da varie parti del corpo umano25, inclusi acidi grassi a basso peso molecolare, aldeidi, alcoli, chetoni, eteri ed esteri. Un sensore di gas a chemiresistore singolo è un sensore non specifico e non può eseguire analisi più accurate di COV con composizioni complesse. L'uso di uno strato sensibile di polimero a impronta molecolare (MIP) combinato con la matrice del sensore può risolvere questo problema in modo efficace26. Questa tecnologia può realizzare il riconoscimento selettivo delle molecole di gas. L'imprinting molecolare rappresenta un approccio efficace per creare modelli di riconoscimento con diverse forme e dimensioni per le molecole bersaglio27. I MIP sono reti polimeriche tridimensionali ottenute mediante copolimerizzazione di monomeri funzionali con reticolanti in presenza di molecole bersaglio28. Quando le molecole modello vengono rimosse da una rete polimerica mediante lavaggio o riscaldamento, vengono generate cavità su scala nanometrica simili alle molecole modello29,30. Utilizzando queste cavità altamente specifiche, i MIP sono stati applicati come strati di rilevamento altamente selettivi in ​​alcuni sensori di gas31. Quando la molecola bersaglio esiste nella cavità all'interno della struttura polimerica tridimensionale, ciò causerà un cambiamento nella resistenza del materiale; i cambiamenti vengono quindi misurati e convertiti in segnali elettrici osservabili. I MIP sono ampiamente utilizzati nei sensori di gas a chemiresistori per il loro basso costo, la facile sintesi, le prestazioni stabili e la riutilizzabilità32.