Development of nanocomposite polymeric chemosensors for the detection of volatile organic compounds

This thesis investigates the development of nanocomposite polymer-based gas sensors for the detection of volatile organic compounds (VOCs) in human breath analysis as a non-invasive approach for clinical diagnosis and disease monitoring. The sensors are fabricated by depositing a nanocomposite film on interdigitated gold electrodes (IDEs). The film consists of a polymer matrix doped with multi walled carbon nanotubes (MWCNTs) that enhance electrical conductivity and overall sensor performance. Two sensor types were developed. The first is a polyvinylpyrrolidone (PVP)-based sensor for ethanol detection. Ethanol molecules are absorbed by the polymer, causing an increase in the distance between MWCNTs, which reduces conductive pathways and increases electrical resistance. The second sensor utilizes molecularly imprinted polymers (MIP) for the selective detection of toluene. During polymerization, specific cavities are formed, and when toluene binds to these sites, the spatial distribution of MWCNTs is altered, again leading to an increase in resistance. Since the resistance changes are reversible, the sensors can be recalibrated by correlating resistance with known VOC concentrations. Systematic optimization of the fabrication process was conducted to improve reproducibility and stability. For the MIP sensors, an interpenetrated polymer network was developed by incorporating Pluronic F127 into the liquid precursors, and a reproducibility index was defined for both intra-sensor and inter sensor performance. Sensor testing was performed in a controlled airtight chamber, where gas concentration, temperature, pressure, and humidity were precisely managed. The experimental protocol included exposure tests at saturation, constant, and incrementally increasing concentrations, with calibration curves derived for accurate quantitative analysis.

Questa tesi esplora lo sviluppo di sensori chimici basati su nanocompositi polimerici per la rilevazione dei composti organici volatili (VOC) nell'ambito della breath analysis, offrendo un approccio non invasivo per la diagnosi clinica e il monitoraggio delle malattie. I sensori vengono realizzati mediante la deposizione di un film nanocomposito su elettrodi d'oro interdigitati (IDEs). Il film è costituito da una matrice polimerica in cui sono dispersi nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNTs), che migliorano la conduttività elettrica e le prestazioni generali del sensore. Sono state sviluppate due tipologie di sensori. Il primo è un sensore a base di polivinilpirrolidone (PVP) per la rilevazione dell’etanolo. In questo caso, l’assorbimento delle molecole di etanolo da parte del polimero aumenta la distanza tra i MWCNTs, riducendo i percorsi conduttivi e causando un incremento della resistenza elettrica. Il secondo sensore utilizza polimeri a impronta molecolare (MIP) per una rilevazione selettiva del toluene. Durante la polimerizzazione vengono create cavità specifiche e il legame del toluene a queste cavità altera la distribuzione dei MWCNT, determinando un aumento della resistenza. Poiché le variazioni di resistenza sono reversibili, i sensori possono essere ricalibrati correlando la resistenza misurata con concentrazioni note di VOC. È stata effettuata un'ottimizzazione sistematica della procedura di fabbricazione per migliorare riproducibilità e stabilità. In particolare, per i sensori MIP è stata sviluppata una rete polimerica interpenetrata mediante l’aggiunta di Pluronic F127 ai precursori liquidi, e si è definito un indice di riproducibilità per valutare le prestazioni sia intra che inter-sensore. I test sono stati condotti in una camera a tenuta d’aria, che ha permesso un controllo preciso della concentrazione del gas, della temperatura, della pressione e dell’umidità. Il protocollo sperimentale ha previsto esposizioni a livelli di saturazione, a concentrazioni costanti e a variazioni incrementali, ottenendo curve di calibrazione per un’analisi quantitativa accurata.