Development of electronic nose system based on optically-active organic thin film sensors and molecular design

Abstract

The sense of smell is an important sense for human in daily life. Many researchers have been trying to fabricate a device that mimics the human olfactory system, called "Electronic nose" (e-nose). This instrument comprises an array of gas sensor, a transducer and a pattern recognition analysis. In this thesis, organic thin film gas sensors have been fabricated from organic dyes, namely, metalloporphyrin (MP) and metallo-phthalocyanine (MPc). Both compounds have been used as sensing materials for volatile organic compounds (VOC) based on optical detection. The interaction energy and the charge transfer between sensing materials and VOC molecules were investigated by the density functional theory (DFT) with the B3LYP 6-31G* basis set. The objective of this thesis is to investigate various kinds of optical gas sensors, for example, mixtures layer of MP and MPc, nanocomposite between MP and multiwall carbon nanotube (MWCNT) and molecularly imprinted polymer (MIP) mixed MPc. Optical technique was used as the transducer to transform the physical properties of sensing material to the electronic signal. Two types of optical e-nose have been explored. The first type employed the UV-vis spectrophotometer to monitor optical spectral changes of the area integral under absorption spectrum. The second type employed light-emitting diodes (LEDs) as the light source and CMOS photodetector was as transducer. The latter e-nose system was invented as a portable device. Finally, the principal component analysis (PCA) was performed as the pattern recognition to investigate the performance of our e-nose systems. The results confirmed that both e-noses successfully classified VOCs vapor based on optically-active organic thin films.

ประสาทสัมผัสการรับรู้กลิ่นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับชีวิตประจำวันของมนุษย์ นักวิจัยพยายามที่จะประดิษฐ์อุปกรณ์เลียนแบบระบบรับรู้กลิ่นของมนุษย์ ที่เรียกว่า "จมูกอิเล็กทรอนิกส์" (e-nose) เครื่องมือนี้ประกอบด้วย อะเรย์ของเซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซ, ตัวแปลงสัญญาณ และส่วนวิเคราะห์จดจำรูปแบบของกลิ่น ในวิทยานิพนธ์เล่มนี้เซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซเชิงแสงแบบฟิล์มบางได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นจากสีย้อม (dye) อินทรีย์ คือ เมทัลโลพอร์ไฟริน (MP) และ เมทัลโลพทาโลไซยานีน (MPc) ซึ่งสารประกอบทั้งสองมีคุณสมบัติในการ ตรวจจับไอระเหยโดยใช้วิธีการทางแสง อันตรกิริยาและการเปลี่ยนแปลงของประจุไฟฟ้าระหว่างโมเลกุลของวัสดุที่ใช้ตรวจจับกับโมเลกุลของไอระเหยได้ถูกตรวจสอบโดยวิธีของทฤษฎีเดนซิติฟังก์ชัน (DFT) ใช้เบซิส เซต B3LYP 6-31G* วัตถุประสงค์ของวิทยานิพนธ์นี้ คือการประดิษฐ์เซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซเชิงแสงหลากหลายชนิด ตัวอย่างเช่น การใช้เมทัลโลพอร์ไฟริน และเมทัลโลพทาโลไซยานีน แบบผสมผสานกัน, การ ใช้สารผสมระหว่าง MP กับท่อนาโนคาร์บอน (MWCNT) และ การใช้สารผสมของพอลิเมอร์ที่ มีรอยพิมพ์ประทับโมเลกุล (MIP) กับ MPc โดยที่ เทคนิคทางแสงถูกนำมาใช้ในการแปลงจากคุณสมบัติทางกายภาพของ วัสดุเซ็นเซอร์มาเป็นสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ จมูกอิเล็กทรอนิกส์ทั้งสองชนิดได้ถูกศึกษา ชนิดแรกคือจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เครื่องวัดค่าการดูดกลืนแสงในการตรวจสอบพื้นที่ใต้กราฟของสเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่ เปลี่ยนไป ส่วนชนิดที่สองนั้นใช้ไดโอดเปล่งแสง (LED) เพื่อเป็นแหล่งกำเนิดแสง และใช้ตัวตรวจับทางแสง (Photodetector) สำหรับอ่านค่าการเปลี่ยนแปลงความเข้มแสง จมูกอิเล็กทรอนิกส์เครื่องหลังนี้ได้ถูกสร้างขึ้น ให้เป็นอุปกรณ์ที่พกพาได้ สุดท้ายนี้ ได้ใช้การวิเคราะห์การจำแนกกลิ่นด้วยวิธีวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (PCA) พบว่าเครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ก๊าซเซ็นเซอร์ฟิล์มบางทั้งสองแบบ ประสบความสำเร็จในการจำแนกกลิ่นของไอระเหยต่าง ๆ