Оптоелектронні сенсори на основі органічних матеріалів для використання в медицині
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Охрімчук О.Б. Оптоелектронні сенсори на основі органічних матеріалів для використання в медицині. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2026.
Дисертаційну роботу присвячено комплексному дослідженню фізичних, технічних та математичних засад створення оптоелектронних сенсорів на основі органічних матеріалів, призначених для визначення концентрацій летких біомаркерів у видихуваному повітрі людини методом спектрального поглинання в середньому інфрачервоному діапазоні. Запропонований підхід об’єднує аналітичні моделі, чисельні алгоритми, методики моделювання деградації та дрейфу, а також кількісний аналіз параметрів сенсорної системи, що дозволяє сформувати цілісну наукову основу для створення компактних, стабільних та технологічно адаптивних сенсорів неінвазивної медичної діагностики. У роботі підкреслено важливість аналізу летких біомаркерів як одного з ключових напрямів розвитку сучасної медичної діагностики. Видихуване повітря є доступним, невичерпним та легко керованим для відбору середовищем, а концентрації таких аналітів, як ацетон, аміак і вуглекислий газ, відображають широкий спектр метаболічних, ендокринних, респіраторних та інфекційних процесів. Зміни цих концентрацій є індикаторами порушень обміну речовин, функції органів, гормональних збоїв, запальних процесів, вентиляційних відхилень та інших клінічно значущих станів. Таким чином, неінвазивний аналіз летких компонентів видихуваного повітря може забезпечити доступ до важливої інформації щодо стану організму без необхідності забору біологічних рідин, хірургічних чи ін’єкційних процедур, що робить такі сенсорні системи перспективними для широкого використання як у клінічних умовах, так і в персональних діагностичних пристроях. Розглянута категорія сенсорів ґрунтується на реєстрації спектрального поглинання газової фази у середньому ІЧ-діапазоні. Кожен з досліджуваних аналітів має характерні резонансні смуги поглинання, зумовлені коливально-обертальними переходами у молекулярних структурах. Ацетон має виражену смугу поглинання поблизу 5,7–5,9 мкм, що дозволяє ефективно детектувати його у концентраціях, характерних для здорового, діабетичного та кетоацидозного станів. Аміак має власну спектральну смугу, що відрізняється шириною та інтенсивністю; CO₂ характеризується іншими спектральними характеристиками та потребує відповідної адаптації сенсорної архітектури. Ці особливості роблять можливим селективне визначення кожного аналіту за умови коректного вибору спектральної чутливості фотоприймача та геометрії оптичної системи. У дисертації сформовано математичний опис процесів поглинання випромінювання у газовому середовищі. Використання закону Бугера–Ламберта– Бера дозволяє формалізувати залежність між концентрацією аналіту, довжиною оптичного шляху, спектральним коефіцієнтом поглинання та інтенсивністю випромінювання на вході фотоприймача. Показано, що форма спектральної смуги поглинання та її інтенсивність визначають характер формування результативної функції відгуку сенсорної системи, яка є добутком спектральної чутливості фотоприймача та нормованої оптичної густини аналіту. У роботі описано кожен етап трансформації випромінювання – від поширення у газовому проміжку з урахуванням поглинання, до перетворення оптичного сигналу в електричний за допомогою органічної фоточутливої структури. Особлива увага приділена органічним фотоприймачам, які становлять матеріальну основу сенсорної системи. У дисертації описано їх фізичні властивості, спектральні особливості, переваги й недоліки. Органічні матеріали дають змогу реалізувати тонкоплівкові багатошарові структури з низькою температурою виготовлення, що забезпечує їх сумісність із полімерними підкладками, гнучкими системами та компактними сенсорними платформами. Однак вони схильні до деградаційних процесів, які впливають на спектральну чутливість, фотореакцію, шумові характеристики та часову стабільність параметрів. Тому математичні моделі сенсора мають враховувати довготривалу зміну характеристик органічних матеріалів, включно з дрейфом базової лінії та зниженням чутливості. У роботі вперше сформовано узагальнену двоступеневу модель деградації органічних матеріалів, яка описує початкову швидку зміну параметрів, зумовлену фотохімічними та термічними процесами, та подальшу повільну стабілізацію, пов’язану з релаксаційними явищами, дифузією вологи й кисню та структурними перетвореннями у шарі органічного фотоприймача. Показано, що деградація впливає як на амплітуду сигналу, так і на спектральний профіль чутливості, причому ці зміни можуть бути нелінійними та залежати від часу експлуатації. Врахування таких ефектів є критично важливим під час оцінки межі виявлення сенсора, стабільності його роботи та довготривалої точності вимірювань. У дисертації детально змодельовано дрейф базової лінії, який визначає здатність сенсора підтримувати стабільний рівень чутливості в умовах тривалого використання. Дрейф розглядається як повільна зміна вихідного рівня сигналу, зумовлена впливом коливань температури, вологості, а також внутрішніми процесами деградації. Запропоновано математичний опис дрейфу, який дозволяє кількісно оцінювати його вплив на межу виявлення протягом тривалих періодів роботи. На основі чисельного аналізу отримано оцінки добових змін межі виявлення для ацетону, аміаку та вуглекислого газу; встановлено, що ці зміни не перевищують двох відсотів, що указує на можливість реалізації сенсорної системи в практиці за умови оптимальної стабілізації й компенсації дрейфових ефектів. У роботі представлено детальне чисельне моделювання спектральної взаємодії сенсорної системи з аналітами для широкого діапазону концентрацій. Змодельовано інтегральні сенсорні сигнали для ацетону в трьох фізіологічно значущих діапазонах: здорового стану, діабетичного стану та кетоацидозу. Аналіз показує, що амплітудні зміни сигналу є достатніми для надійного розрізнення цих діапазонів, що підтверджує перспективність використання органічних оптоелектронних сенсорів для моніторингу ацетону в умовах експрес-діагностики. Для аміаку та вуглекислого газу також отримано характерні залежності сигналу від концентрації з урахуванням їхніх фізичних та хімічних особливостей. Зокрема, показано, що навіть для газів із ширшими смугами поглинання можливе формування стабільного та селективного сигналу за умови коректного спектрального підбору фотоприймача. У першому розділі проведено систематизований огляд оптоелектронних сенсорів та органічних матеріалів, описано їхні переваги та недоліки, досліджено конструктивні особливості та спектральні властивості. Виділено ключові обмеження традиційних сенсорних технологій і показано, що органічні матеріали можуть забезпечити значну гнучкість у проєктуванні, зокрема у напрямку компактних і портативних рішень. У другому розділі розглянуто фізіологічні аспекти аналізу летких біомаркерів. Підкреслено клінічну значущість ацетону як індикатора метаболічних процесів, аміаку – як показника азотного балансу та функціонування нирок, а CO₂ – як маркера вентиляційної функції. Наведено концентраційні діапазони та особливості змін їх рівнів у різних фізіологічних станах, що визначає вимоги до сенсорної системи з погляду чутливості та діапазону вимірювання. У третьому розділі викладено спектральні і математичні засади моделювання сенсорної системи. Детально подано опис спектральної чутливості органічних фотоприймачів, нормування спектральних функцій, способів обчислення оптичної густини та формування інтегрального сигналу. Наведено математичні рівняння, що дозволяють здійснювати чисельну оцінку взаємодії між аналітом та фотоприймачем в обраному спектральному діапазоні. У четвертому розділі розглянуто деградаційні процеси та дрейф базової лінії сенсорних систем. Визначено основні механізми зміни параметрів органічного фотоприймача у часі, подано кількісну оцінку їх впливу на чутливість та межу виявлення. Окремо описано часову еволюцію спектрального профілю чутливості та вплив деградації на селективність сенсорної системи. У п’ятому розділі наведено порівняння змодельованого сенсорного елементу з сучасними технологічними рішеннями та визначено його перспективність для практичного застосування. Продемонстровано, що органічні сенсори можуть забезпечувати достатню точність і чутливість, при цьому маючи меншу складність конструкції, низьке енергоспоживання та потенційну сумісність із портативними та носимими діагностичними комплексами. У роботі узагальнено, що запропонована сенсорна конструкція має низку переваг: компактність, можливість інтеграції з полімерними підкладками, стабільність параметрів за відсутності прямого контакту аналіту з органічним чутливим елементом, потенційну здатність до роботи у режимі низького енергоспоживання та можливість адаптації спектральних характеристик для різних біомаркерів. Показано, що розроблена модель дозволяє за допомогою системи прогнозування поведінки сенсора на етапі проєктування, здійснювати оптимізацію спектральних, матеріальних та конструктивних характеристик, оцінювати межу виявлення та її зміну в часі, а також формувати вимоги до технологічних процесів виготовлення. У висновку зазначено, що результати дисертаційної роботи створюють наукову основу для формування нового покоління органічних оптоелектронних сенсорів середнього інфрачервоного діапазону. Отримані моделі, алгоритми та чисельні оцінки можуть бути використані для подальшої експериментальної реалізації сенсорних прототипів, створення портативних медичних газоаналізаторів, розроблення носимих пристроїв для моніторингу стану організму та впровадження технологічно простих і доступних систем неінвазивної діагностики.
Опис
Ключові слова
моделювання, моніторинг дихання, фоточутливі сенсори, поліімід, система прогнозування, фізичні властивості матеріалу, провідність, електричні вимірювання, сенсор, базові моделі, інфрачервоний датчик, фоточутливий елемент, газові сенсори, електронно-оптичний сенсор, багатошарові органічні структури, modeling, breath monitoring, photosensitive sensors, polyimide, prediction system, physical properties of material, conductivity, electric measurements, sensor, foundation models, infrared sensor, photosensitive element, gas sensors, electronic-optical sensor, multilayer organic structures
Бібліографічний опис
Охрімчук, О. Б. Оптоелектронні сенсори на основі органічних матеріалів для використання в медицині : дис. … д-ра філософії : 153 Мікро- та наносистемна техніка / Охрімчук Олександр Борисович. – Київ, 2026. – 179 с.