Оптоелектронні сенсори на основі органічних матеріалів для використання в медицині

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorВербицький, Володимир Григорович
dc.contributor.authorОхрімчук, Олександр Борисович
dc.date.accessioned2026-06-08T09:57:30Z
dc.date.available2026-06-08T09:57:30Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractОхрімчук 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.
dc.description.abstractotherOkhrimchuk O.B. Optoelectronic sensors based on organic materials for use in medicine. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 153 – Micro- and nanosystems engineering (field of knowledge 15 – Automation and instrument making). – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to a comprehensive theoretical investigation, mathematical modelling, and analytical substantiation of optoelectronic sensors based on organic materials designed for the detection of volatile biomarkers in human breath through the mechanism of optical absorption in the mid-infrared (mid-IR) spectral range. The work develops an integrated scientific framework that encompasses physical models of radiation–matter interaction in gaseous media, spectral and temporal characteristics of organic photodetectors, degradation and drift mechanisms, analytical methods, and numerical procedures required for the creation of compact, stable, and technologically adaptable sensor systems intended for non-invasive medical diagnostics. The research emphasises the importance of volatile biomarkers as clinically relevant indicators of physiological and pathological processes. Exhaled breath constitutes an accessible and non-invasive diagnostic medium that reflects metabolic activity, respiratory function, inflammatory reactions, and organ-specific biochemical processes. Volatile compounds such as acetone, ammonia, and carbon dioxide serve as markers of lipid metabolism, renal function, acid–base balance, respiratory ventilation, and other medically significant parameters. Variations in their concentrations provide diagnostic insights without requiring blood sampling or invasive procedures, enabling regular, repeated, and safe monitoring. Consequently, non-invasive breath-based diagnostics necessitates sensor systems that combine high sensitivity, spectral selectivity, rapid response, long-term stability, and low power consumption while maintaining compact dimensions and robustness under varying environmental conditions. The category of sensors analysed in the dissertation operates on the principle of detecting changes in infrared radiation passing through a gas layer containing the target analyte. Each analyte exhibits characteristic absorption bands determined by molecular vibrational–rotational transitions in specific regions of the mid-IR spectrum. Acetone demonstrates a pronounced absorption band within 5,7–5,9 μm, making it suitable for detection at physiologically relevant concentration ranges corresponding to healthy metabolism, diabetes, and ketoacidosis. Ammonia and carbon dioxide also possess distinct spectral absorption structures, though with markedly different bandwidths and intensities, which require corresponding adjustments to the spectral responsivity of the photodetector and the geometry of the optical path. These features enable selective detection of each analyte provided that the spectral characteristics of the photodetector are appropriately matched to the analyte’s absorption profile. A detailed mathematical description of radiation attenuation in gaseous media forms the basis of the modelling approach. The Beer–Lambert–Bouguer law is used to formalise the relationship between analyte concentration, optical path length, spectral absorption coefficient, and transmitted radiation intensity. The dissertation characterises the formation of the spectral absorption profile and demonstrates how its intensity and shape determine the overall spectral response of the sensor. The resulting sensor response function S(λ) is defined as the product of the organic photodetector’s spectral responsivity and the normalised optical density of the analyte. Each stage of the transformation – from light propagation through the gas layer to its conversion into electrical current in the organic detector – is mathematically formulated and integrated into the final signal model. Special attention is devoted to organic photodetectors, which form the functional basis of the proposed sensor architecture. Their physical properties, spectral characteristics, advantages, and limitations are examined in detail. Organic semiconducting materials allow the fabrication of thin-film multilayer structures at low processing temperatures, making them compatible with flexible substrates and miniaturised sensing platforms. However, they are susceptible to degradation mechanisms that affect spectral responsivity, noise characteristics, photocarrier dynamics, and long-term stability. Consequently, mathematical models must incorporate temporal evolution of detector parameters, including baseline drift and sensitivity reduction. The dissertation presents a generalised two-phase degradation model for organic photodetectors. The initial rapid degradation phase is shown to arise from photo-induced and thermally activated processes such as molecular rearrangements, trap formation, and exciton quenching. This phase is followed by a slow stabilisation regime governed by moisture diffusion, oxygen permeation, structural relaxation, and long-term modification of electronic states. The model accurately captures reductions in signal amplitude, modifications in spectral responsivity shape, and nonlinear ageing trends over prolonged operation. These effects critically influence the detectability of low-concentration biomarkers and must be accounted for when determining sensor lifetime, limit of detection, and calibration requirements. Baseline drift is examined as a separate phenomenon with direct implications for the system’s long-term measurement accuracy. It is modelled as the slow temporal shift of the sensor’s output under conditions of constant analyte concentration, resulting from environmental fluctuations, internal material relaxation, and cumulative degradation processes. A quantitative drift model is presented, enabling prediction of detection limit variations over extended operation. Numerical simulations show that daily variations in the limit of detection for acetone, ammonia, and CO₂ remain below 2%, confirming the sensor’s suitability for long-term use with appropriate compensation algorithms. The dissertation includes an extensive numerical investigation of spectral interactions between analytes and the sensor for a wide range of physiologically relevant concentrations. Integral sensor responses for acetone are computed for three clinically meaningful ranges corresponding to healthy state, diabetic state, and ketoacidosis. The resulting amplitudes differ sufficiently to enable reliable discrimination among these metabolic conditions, validating the feasibility of organic optoelectronic sensors for breath acetone monitoring in medical diagnostics. Similar analyses are performed for ammonia and carbon dioxide, with each analyte demonstrating characteristic response profiles influenced by its specific absorption structure. These findings confirm that, despite broader or weaker absorption bands in some gases, stable and selective sensing can still be achieved through appropriate spectral tuning of the photodetector. The first chapter presents a systematic overview of optoelectronic sensors and organic materials, including their spectral, structural, and technological characteristics. Advantages and limitations of conventional sensor technologies are identified, demonstrating that organic materials offer significant opportunities for miniaturisation, portability, and design flexibility. The second chapter examines physiological aspects of volatile biomarkers, offering a detailed review of the biochemical origins, diagnostic relevance, and concentration ranges of acetone, ammonia, and CO₂ in human breath. These characteristics define the required sensitivity range, dynamic response, and environmental tolerance for the sensor system. The third chapter presents the spectral and mathematical foundations of the modelling approach, including responsivity normalisation, absorption modelling, optical–electrical transformation, and numerical integration procedures that yield the final sensor signal. The fourth chapter investigates degradation and drift processes of organic photodetectors, offering a quantitative description of parameter evolution over time and its effect on accuracy, stability, detection limit, and spectral selectivity. The study concludes that the proposed sensor architecture offers several advantages, including compactness, compatibility with polymer substrates, stability of parameters due to the absence of direct contact between the analyte and the organic sensitive element, the potential for low-power operation, and the ability to adapt spectral characteristics for different biomarkers. It is demonstrated that the developed model, through a prediction system, enables forecasting of sensor behaviour at the design stage, optimisation of spectral, material, and structural characteristics, evaluation of the detection limit and its temporal evolution, as well as the formulation of requirements for technological fabrication processes. The conclusion states that the results of the dissertation form a scientific basis for the development of a new generation of organic optoelectronic sensors operating in the mid-infrared range. The obtained models, algorithms, and numerical evaluations can be employed for further experimental implementation of sensor prototypes, the development of portable medical gas analysers, the creation of wearable devices for monitoring physiological state, and the deployment of technologically simple and accessible systems for non-invasive diagnostics.
dc.format.extent179 с.
dc.identifier.citationОхрімчук, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/81522
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectмоделювання
dc.subjectмоніторинг дихання
dc.subjectфоточутливі сенсори
dc.subjectполіімід
dc.subjectсистема прогнозування
dc.subjectфізичні властивості матеріалу
dc.subjectпровідність
dc.subjectелектричні вимірювання
dc.subjectсенсор
dc.subjectбазові моделі
dc.subjectінфрачервоний датчик
dc.subjectфоточутливий елемент
dc.subjectгазові сенсори
dc.subjectелектронно-оптичний сенсор
dc.subjectбагатошарові органічні структури
dc.subjectmodeling
dc.subjectbreath monitoring
dc.subjectphotosensitive sensors
dc.subjectpolyimide
dc.subjectprediction system
dc.subjectphysical properties of material
dc.subjectconductivity
dc.subjectelectric measurements
dc.subjectsensor
dc.subjectfoundation models
dc.subjectinfrared sensor
dc.subjectphotosensitive element
dc.subjectgas sensors
dc.subjectelectronic-optical sensor
dc.subjectmultilayer organic structures
dc.subject.udc621.382:681.586:544.18
dc.titleОптоелектронні сенсори на основі органічних матеріалів для використання в медицині
dc.title.alternativeOptoelectronic sensors based on organic materials for use in medicine
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Okhrimchuk_dys.pdf
Розмір:
17.22 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (МЕ)
Дисертації (вільний доступ)