Développement d'un microcapteur à base de silicium pour la détection de quelques composés organiques volatils

Development of silicon-based microsensor for the detection of some volatile organic compounds

• Auteur / Autrice : Ibrahim Musa
• Direction : Abdelhamid Errachid El Salhi, Guy Raffin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 18/03/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Analytiques
• Jury : Président / Présidente : Didier Léonard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhamid Errachid El Salhi, Guy Raffin, Hafsa Korri-Youssoufi, Olfa Kanoun, Joan Bausells
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hafsa Korri-Youssoufi, Olfa Kanoun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de gaz

Nez électroniques

Microcapteurs

Composés organiques volatils

Mots clés libres

Dépot électrochimique

Polyvinylchloride

Electro spinning

Méthanol

Conductivité

Nickel phthalocyanines

Microcapteur

Chitosan

Electrochemical deposition

Polyvinyl chloride

Electro spinning

Methanol

Conductivity

Nickel phthalocyanines

Micro sensor

Chitosan

Résumé

L'analyse de l'air expiré des COV du point de vue médical fournit des informations vitales sur l'état métabolique immédiat, démontrant l'état de santé actuel du patient et la possibilité de prévoir toute maladie maintenant ou bientôt. La plupart des affections, comme s'il s'agissait d'un cancer, sont détectées à un stade avancé de la maladie, probablement après la production de la plupart des tumeurs, ce qui rend le diagnostic difficile, et nous devons trouver un moyen de la traiter de manière non invasive. Ce manuscrit a examiné les inconvénients des technologies traditionnelles dans l'analyse des COV respiratoires et s'est concentré sur le développement de microcapteurs pour l'amélioration des technologies de nez électronique dans le diagnostic des maladies. Les polymères conducteurs et le biopolymère de chitosane déposés sur une électrode en or ont la capacité, comme l'ont mentionné divers chercheurs, d'être une technologie potentielle pour les outils de détection de gaz. Il possède des propriétés requises, des combinaisons chimiques intéressantes et ajustables, des caractéristiques électriques et structurelles. Selon la littérature, les matériaux polymères récemment utilisés pour les applications de détection de gaz incluent (polypyrrole, polythiophène, polyaniline, polyéther et biopolymères de chitosan. De plus, ces dérivés se sont avérés être des films plus sensibles lorsqu'ils sont déposés sur des électrodes en or imbriquées pour les capteurs de gaz de mesure de la conductivité En raison de leurs propriétés de conductivité et de détection de gaz, le principal avantage du capteur à base de polymère est de fonctionner à température ambiante par rapport aux autres capteurs, principalement à base d'oxydes métalliques avec une efficacité de fonctionnement à très haute température (300-700 oC). a tenté d'obtenir un capteur de gaz avec des propriétés 3S (sensibilité, sélectivité et stabilité) en raison du rôle essentiel des capteurs de gaz dans la santé publique pour le diagnostic des maladies et le contrôle de l'environnement. Les microcapteurs de gaz ont été choisis par rapport aux techniques de détection de gaz conventionnelles en raison de leur nature non invasive , taille portable, détection rapide et capacité à travailler dans des conditions atmosphériques. se concentre davantage sur les avancées précédentes dans les capteurs de gaz à base de polymères conducteurs électrodéposés établis sur différentes applications de transducteurs. Des études approfondies améliorées ont révélé que la capacité de détection du polymère électrodéposé pourrait être plus efficace par incorporation ou fonctionnalisation chimique. Nano structuration et mélange d'autres matériaux fonctionnels pour produire un nanocomposite ou des matériaux hybrides, comme cela a été rapporté lorsque des polymères/phtalocyanines incorporés sont utilisés comme matériau sensible pour l'application de détection de gaz.

Exhaled breath analysis of VOCs from the medical perspective provides vital information on the immediate metabolic state, demonstrating the patient’s current health status and the possibility of forecasting any disease now or soon. Most conditions, as if cancer, are detected at the late stage of the disease, probably after the tumor most have been produced, which makes it difficult to diagnose, and we have to devise a means to treat it in a non-invasive way. This manuscript looked at the drawbacks of the traditional technologies in breathe VOCs analysis and focused on microsensor development for improved e-nose technologies in disease diagnosing. Conducting polymers and chitosan biopolymer deposited on a gold electrode has the ability, as mentioned by various researchers, to be a potential technology for gas sensing tools. It possesses required properties, interesting and tunable chemical combinations, electrical and structural characteristics. According to the literature, polymer materials recently used for gas sensing applications include (polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyether, and chitosan biopolymers. In addition, these derivatives have proven to be more sensitive films when deposited on interlocking gold electrodes for conductivity measuring gas sensors. Due to their conductivity and gas sensing properties, the polymer-based sensor's main advantage is operating at room temperature over the other sensors, primarily based on metal oxides with operation efficiency at a very high temperature (300-700 oC). Subsequently, scientists attempted to attain a gas sensor with 3S properties (sensitivity, selectivity, and stability) due to gas sensors' critical role in public health for disease diagnoses and environmental control. Gas microsensors were chosen over conventional gas detection techniques due to their non-invasive nature, portable size, rapid detection, and ability to work in atmospheric conditions. This study focuses more on the previous advances in electrodeposited conducting polymer-based gas sensors established on different transducers applications. Improved in-depth studies revealed that the electrodeposited polymer's sensing ability could be more efficient through incorporation or chemical functionalization. Nano structuration and mixing other functional materials to yield a nanocomposite or hybrid materials as was reported where incorporated polymer/phthalocyanines are employed as sensitive material for gas sensing application. Gas micro sensors made from electropolymerization of chitosan doped nickel phthalocyanines and electrospun PVC nanofibers mixed with nickel phthalocyanines film as the base sensing mate has had several advantages, including tunable properties, room temperature sensing, and the potential of being amenable to the printing processes. Thin-film composite of chitosan/NiPc were electrochemically deposited across the fingers of interdigitated gold electrodes. In comparison, PVC nanofibers were electrospun on the interdigitated gold electrode surface. The sole polymer membrane and the polymer doped with NiPc undergo chemical characterization by scanning electron microscopy (SEM) images, energy dispersive spectra (EDS), Fourier transform infrared (FT-IR), and thermal gravimetric analysis (TGA). We studied acetone, ethanol, and methanol gas-sensing properties of the films prepared at optimum conditions. at atmospheric temperature using lock-in amplifier differential measurements at an optimized frequency of 10 kHz. The methanol sensor has the highest sensitivity. The study also showed better selectivity and repeatability for this configuration towards methanol than ethanol and acetone. The device is less unaffected by the interfering water vapor, which makes it more suitable for VOC sensing in the presence of humidity.