In this study, we developed an optical colorimetric sensor based on poly(styrene-co-maleic anhydride) (PSMA)/ polyethylene imine (PEI) core–shell nanoparticles (PSMA/PEI) for CO₂ gas detection. When the contents of MA was 20 wt%, the PSMA had the uniform particle size distribution. Moreover, PSMA/PEI core–shell nanoparticles were prepared by PEI graft. To compose optical colorimetric sensors for CO₂ gas detection, PSMA nanoparticles (core part) were prepared and then impregnated with thymol blue, cresol red, and phenol red, respectively. Furthermore, we observed the retention of color change at CO₂ gas sensor. In the presence of CO₂ gas (0.1%), thymol blue sensors of optical colorimetric changed in 0.5 min (∆E=15536) and 5 min (∆E=35645), respectively. The optical CO₂ gas sensor was exhibited the largest color change (∆E=37859) at relative humidity of 30%. Optical CO₂ gas sensor of core-shell type would enable variable application of optical gas sensor system with high sensitivity and visualization.

본 연구에서는 미량의 CO₂ 가스를 감지할 수 있는 poly(styrene-co-maleic anhydride)(PSMA)/polyethylene imine(PEI) 코어-쉘 나노 입자 기반의 광학 센서를 제시하였다. 코어인 poly(styrene-co-maleic anhydride)(PSMA) 중합 시 maleic anhydride(MA)의 비율을 20 wt% 투입하여, 입자의 분포도와 크기를 최적화하였으며 PEI를 부가하여 균일한 크기의 코어-쉘 형태의 PSMA/PEI를 제조하였다. CO₂ 가스 감지 가능한 광학 센서를 제조하기 위해 PSMA 코어에 pH indicator(thymol blue, cresol red 및 phenol red)를 함침하였고 pH indicator의 색 변화 특성이 유지되는 것을 확인하였다. 미량의 CO₂ 가스(0.1%)가 존재하는 경우 접촉 전의 색과 비교하여 30초 후 thymol blue의 ∆E (colorimetric response)=15536를 나타내며, 5분 후 ∆E=35645까지 증가함을 확인하였다. 이러한 CO₂ 가스 광학 센서는 30%의 상대 습도에서 가장 큰 색 변화(∆E=37859)를 나타냈으며, 제시된 코어-쉘 타입 광학 센서는 CO₂ 가스의 시각화가 가능하며 높은 감도를 통해 다양한 광학 가스 센서 시스템에 적용될 수 있다.

Keywords: core-shell nanoparticle, CO₂ sensor, colorimetric sensor, CO₂, pH indicator