Modifikation von smarten PNIPAAm-Hydrogelen zur Acetondetektion in Gasen Sitao Wang 1 , Gerald Gerlach 1 , Julia Körner 2 1 Institut fr Festkrperelektronik, TU Dresden, Dresden, Deutschland 2 Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik, Leibniz Universität Hannover, Deutschland Kontakt: sitao.wang@tu-dresden.de Einleitung Die Detektion von flüchtigen organischen Verbindungen (eng. Volatile organic compounds - VOCs) in der Atemluft ist eine interessante Möglichkeit der medizinischen Diagnostik zur Krankheitsfrüherkennung oder zur Kontrolle des Gesundheitszustandes. Aceton ist ein solcher VOC- Kandidat, der beispielsweise bei Diabetespatienten gegenüber einer gesunden Person deutlich erhöht ist und sich somit für die kontinuierliche und nicht- invasive Überwachung des Blutzuckerspiegels eignet [1, 2]. Die sensitive und selektive Detektion von VOCs, insbesondere mit miniaturisierbaren Sensoransätzen stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Unter anderem werden hierbei aktuell chemoresistive Ansätze basierend auf Halbmetalloxiden untersucht [3, 4]. Eine weitere Möglichkeit stellen Analyt-sensitive smarte Hydrogele dar, deren Eignung als Gassensormaterial in unseren bisherigen Arbeiten gezeigt werden konnte [5]. Bei smarten Hydrogelen handelt es sich um vielseitig einsetzbare Polymere, die auf einen äußeren Stimulus mit einer Änderung ihres Quellzustandes reagieren [6]. Diese Reaktion beruht meist auf der Aufnahme / Abgabe von Flüssigkeit, weshalb derartige Polymere bisher nahezu ausschließlich in Flüssigkeitsumgebungen eingesetzt werden. Erste Untersuchungen haben ergeben, dass verschiedene synthetische smarte Hydrogele auch an Luft mit variabler Feuchte ein entsprechendes Quellverhalten zeigen und damit prinzipiell für den Einsatz in einer gasförmigen Umgebung geeignet sind. Insbesondere für die Detektion von Aceton als Zielanalyt hat sich Poly(N- Isopropylacrylamid) (PNIPPAm) als sehr geeigneter Kandidat erwiesen [5]. Um ein stärkeres bzw. schnelleres Quellverhalten zu erreichen, muss das Material jedoch durch Modifikationen weiterentwickelt werden. Hierzu werden im Folgenden verschiedene Ansätze beschrieben und deren Potential untersucht. Methoden In der aktuellen Untersuchung wurden folgende Möglichkeiten der strukturellen und chemischen Modifikation betrachtet: (i) Einbringen von Polyethylenglycol (PEG) in die Pregel-Lsung als „Porogen“, (ii) verschiedene Trocknungsmethoden (Luft- und Gefriertrocknung) zur Strukturstabilisierung sowie (iii) der Einfluss der Temperatur und Gefriergeschwindigkeit bei der Gefriertrocknung. Ziel ist es, eine möglichst stabile Struktur mit großer Oberfläche zu erreichen, an der Gasmoleküle sehr schnell und in großer Zahl adsorbiert werden, um eine starke Reaktion des Hydrogels zu erreichen. PEG10,000 (Polyethylenglykol mit 10,000 g/mol durchschnittlichem Molekulargewicht) wird hier als „Porogen“ (porenbildendes Mittel) verwendet, d. h., die langkettigen PEG-Moleküle nehmen während der Polymerisation etwas Platz ein und werden danach größtenteils ausgewaschen. Damit werden Hohlräume innerhalb der Polymermatrix erzeugt [7]. Gefriertrocknung (eng. freeze drying) ist ein technisches Verfahren zum Entzug von Wasser. Hierbei wird die wasserhaltige Probe zuerst tiefgefroren, und anschließend unter Vakuum sublimiert, d.h. die feste Phase (Eis) geht direkt in den gasförmigen Zustand (Wasserdampf) über [8, 9]. Dieses Verfahren ist zwar aufwendiger als eine Lufttrocknung, kann aber die Struktur der Proben weitgehend vor einer Deformation bzw. einem Zusammenbruch bewahren, und wird daher häufig für Hydrogelmaterialien angewendet [9, 10]. Materialien und experimenteller Aufbau In den nachfolgenden Untersuchungen werden sowohl Bulk-Hydrogele, als auch dünne Schichten betrachtet. In letzterem Fall wird das zu untersuchende PNIPAAm-Hydrogel mittels masken-basierter Photopolymerisation auf einem piezoresistiven Druck-Sensor hergestellt, wie bereits in unseren vorherigen Arbeiten [5, 11]. Die Volumenänderung des Hydrogels durch Aceton- Adsorption führt zu einer Auslenkung der Sensormembran, welche schließlich in eine elektrische Ausgangsspannung umgewandelt wird. Nachfolgend werden die durchgeführten 16. Dresdner Sensor-Symposium 2022 109 DOI 10.5162/16dss2022/P12