Développement de capteur de gaz à base de nanofibres pour la détection de maladies respiratoires

Development of nanofiber-based gas sensors for the detection of respiratory diseases

• Auteur / Autrice : Niloufar Khomarloo
• Direction : Hayriye Gidik, Roohollah Bagherzadeh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Amirkabir University of Technology (Tehran, Iran)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Salaün
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elham Mohsenzadeh, Emilie Drean, Latifa Latrous
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farideh Golbabaei, Dominique Adolphe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagnostic

Asthme

Oxyde de graphène

Oxyde de zinc

Nanofibres

Oxydes d'azote

Détecteurs de gaz

Mots clés libres

Nanofibres

NO gas

Maladies respiratoires

Capteur de gaz

Semiconducteurs métal-oxyde

Électrofilage

Nanofibers

Gas sensor

Metal oxides

Résumé

Les capteurs de gaz sont conçus pour détecter la présence ou la concentration de divers gaz dans l'atmosphère. L'oxyde de zinc est un semi-conducteur d'oxyde métallique largement utilisé pour les capteurs de gaz, en particulier pour la détection des oxydes d'azote (NO et NO2) dans l'air. Ces défis incluent la nécessité de températures de fonctionnement élevées. Les MOGs montrent souvent une faible sélectivité pour le NO et le NO2 en raison de leur sensibilité aux interférences d'autres gaz présents dans l'environnement. De plus, ils peuvent présenter une faible sensibilité lors de la détection de gaz à faibles concentrations, ce qui affecte leur efficacité dans les scénarios nécessitant des mesures précises. Un autre problème notable est le temps de réponse et de récupération relativement lent des MOGs, ce qui affecte leur réactivité en temps réel. Des préoccupations ont également été soulevées concernant la faible stabilité et la fiabilité de ces capteurs sur de longues périodes. La communauté scientifique s'attaque activement à ces défis en recherchant des moyens d'améliorer l'efficacité opérationnelle, la sélectivité, la sensibilité et la stabilité à long terme des MOGs. Ces efforts sont cruciaux pour faire progresser l'application de ces capteurs dans divers domaines, de la surveillance environnementale au diagnostic médical et à la sécurité industrielle. L'électrofilage est une technique prometteuse pour produire des structures en nanofibres, ce qui augmente la surface disponible pour l'interaction avec les gaz. Cette technique améliore la sensibilité et la sélectivité grâce à la structure spéciale des nanofibres. La morphologie des nanofibres favorise l'adsorption des molécules de gaz sur la surface, améliorant ainsi la réponse du capteur même à des concentrations de gaz plus faibles. La production de matériaux composites à base de ZnO est une stratégie prometteuse pour améliorer les performances de détection. Cette approche améliore la sensibilité et la sélectivité pour des gaz spécifiques grâce à l'effet synergique entre les composites et réduit la température de fonctionnement des MOG. Cela est réalisé en facilitant le transfert de charge et les mécanismes de détection des gaz au niveau de la jonction p-n. Les matériaux composites améliorent également la stabilité et la répétabilité des MOG en atténuant l'influence de l'humidité, de l'oxygène et d'autres gaz interférents. Malgré les diverses méthodologies employées pour améliorer les MOG, il existe encore un manque notable de recherche sur l'exploration des changements morphologiques dans les structures de nanofibres de ZnO pour la détection du NO et du NO2 et leur impact sur l'amélioration des performances des MOG. La présente étude a poursuivi deux objectifs spécifiques pour affiner les capacités de détection. Premièrement, l'enquête s'est concentrée sur le rôle de la structure des nanofibres de ZnO, en examinant spécifiquement des paramètres tels que le diamètre et l'épaisseur. L'objectif était d'améliorer la sensibilité au NO en mettant en évidence comment les variations de ces attributs structurels influencent les performances de détection. Deuxièmement, l'étude visait à réduire la température de fonctionnement des MOG. Cet objectif a été atteint en introduisant de l'oxyde de graphène réduit comme matériau composite avec le ZnO. L'objectif principal était non seulement de réduire la température de fonctionnement, mais aussi de maintenir des temps de réponse et de récupération optimaux. L'utilisation de rGO avec ZnO visait à trouver un équilibre, assurant une sensibilité accrue au NO et au NO2 sans compromettre la capacité du capteur à fournir des réponses rapides et précises. Cette approche duale vise à faire progresser les technologies de détection des gaz, en se concentrant sur l'optimisation des structures de nanofibres de ZnO et l'utilisation de matériaux composites pour améliorer les performances des MOG.

Gas sensors are designed to detect the presence or concentration of various gases in the atmosphere. They are used in environmental monitoring, industrial safety, medical diagnostics, and smart home devices. Gas sensors utilize various methods to measure gas concentrations, including optical, electrochemical, catalytic, and semiconductor techniques. The shape and size of gas sensors can vary depending on factors such as the type of gas they are designed to detect, sensitivity, selectivity, and energy consumption.Zinc oxide (ZnO) is a widely used metal oxide semiconductor for gas sensors, particularly for detecting nitrogen oxides (NO and NO2) in the air.Despite decades of research, several challenges remain in detecting gases using metal oxides like ZnO. These challenges include the need for high operating temperatures (typically between 300 and 500°C) to activate the gas detection mechanism. MOGs often exhibit low selectivity for NO and NO2 due to sensitivity to interference from other gases in the environment. Additionally, they may have low sensitivity when detecting gases at low concentrations, affecting their effectiveness in scenarios requiring precise measurements. Another notable issue is the relatively slow response and recovery times of MOGs, affecting their real-time reactivity. Concerns have also been raised about the poor stability and reliability of these sensors over long periods. The scientific community is actively addressing these challenges by researching ways to improve the operational efficiency, selectivity, sensitivity, and long-term stability of MOGs. These efforts are crucial for advancing the application of these sensors in various fields, from environmental monitoring to medical diagnostics and industrial safety. Electrospinning is a promising technique for producing nanofiber structures, which enhances the surface area available for gas interaction. This technique improves sensitivity and selectivity due to the special structure of nanofibers. The morphology of nanofibers promotes gas molecule adsorption on the surface, enhancing sensor response even at lower gas concentrations. Producing ZnO-based composite materials is a promising strategy to enhance detection performance. This approach improves sensitivity and selectivity for specific gases through the synergistic effect between the composites and reduces the operating temperature of the MOG. This is achieved by facilitating charge transfer and gas detection mechanisms at the p-n junction. Composite materials also enhance the stability and repeatability of MOGs by mitigating the influence of humidity, oxygen, and other interfering gases. Despite the various methodologies employed to improve MOGs, there remains a notable research gap in exploring morphological changes in ZnO nanofiber structures for NO and NO2 detection and their impact on enhancing MOG performance. The present study pursued two specific objectives to refine detection capabilities. First, the investigation focused on the role of ZnO nanofiber structure, specifically examining parameters such as diameter and thickness. The aim was to enhance NO sensitivity by highlighting how variations in these structural attributes influence detection performance.Second, the study aimed to reduce the operating temperature of MOGs. This goal was achieved by introducing reduced graphene oxide (rGO) as a composite material alongside ZnO. The primary objective was not only to lower the operating temperature but also to maintain optimal response and recovery times. Using rGO with ZnO aimed to balance, ensuring enhanced sensitivity to NO and NO2 without compromising the sensor's ability to provide rapid and accurate responses.This dual approach aims to advance gas detection technologies, focusing on optimizing ZnO nanofiber structures and utilizing composite materials to enhance MOG performance.