自组装钠掺杂氧化锌用于检测低浓度肺癌生物标志物VOC

开发用于检测低浓度肺癌标志物的高性能气体传感器是实现通过呼吸测试进行早期肺癌监测的关键一步。金属氧化物半导体 (MOS) 长期以来一直对挥发性有机化合物 (VOC) 敏感，表现出优异的性能特征。然而，基于呼吸测试的肺癌检测特征 VOC(如甲醛、异丙醇、丙酮和氨)的浓度通常低于 1ppm。大多数金属氧化物在如此低的浓度下难以做出反应，这可能会影响肺癌的早期诊断。

基于金属氧化物半导体 (MOS) 的气体传感器在检测 VOC 方面已显示出良好的前景，但它们在极低浓度下的有效性仍然是一个挑战。呼吸样本中肺癌生物标志物 VOC(如甲醛、异丙醇、丙酮和氨)的浓度通常低于 1 ppm，这使得大多数金属氧化物难以产生高响应。克服这一限制对于改善早期肺癌诊断至关重要。

为了应对上述挑战，扬州大学表面工程研究所张超教授领导的材料科学家团队最近概述了碱金属离子掺杂 ZnO 纳米针的开发，具体来说是掺杂了钠 Na 离子，辅以柠檬酸。这种方法旨在提高基于金属氧化物的电化学气体传感器的性能，使其能够以高响应度检测低浓度的 VOC。”

该团队于 2024 年 4 月 30 日在《先进陶瓷杂志》 上发表了他们的研究成果。

“金属离子掺杂是提高ZnO传感性能的有效方法。特别是ZnO对碱金属元素灵敏度高，且表现出良好的掺杂稳定性，这将使离子更容易掺杂到ZnO晶格中，从而形成更多的氧空位。另外，碱金属在ZnO晶格中的溶解度与掺杂离子的半径密切相关，较低的掺杂浓度会难以产生受主能级。Na离子的半径比Zn离子大，溶解度高，有利于提高Na掺杂的稳定浓度，从而形成浅受主能级。”该研究的资深作者张超说。

研究人员采用溶剂热法制备了不同柠檬酸含量的Na掺杂ZnO三维纳米针。研究团队评估了Na掺杂ZnO对亚ppm级浓度肺癌生物标志物的气敏特性，优化了制备方法，获得了柠檬酸和Na离子的最佳配比。实验表明，Na掺杂ZnO气敏传感器在低浓度下对肺癌生物标志物VOCs表现出较高的灵敏度(~21.3@5ppm/50% RH)，是纯ZnO的7倍。此外，所得气敏传感器在225℃的最佳温度下表现出对甲醛优异的选择性、良好的耐湿性和可靠的重复性。

此外，研究人员还解释了气敏性能提升的机理，Na离子取代Zn离子中心产生更多的氧空位，增加了氧缺陷浓度(O v = 20.98%)，目标气体的吸附位点增多;另外，Na作为杂质能级引入，成为靠近价带顶的受主能级，与纯ZnO的价带接触，降低了带隙宽度，进一步激发电子跃迁，从而提升了气敏性能。

本研究得到江苏省杰出青年基金(No.BK20211548)、扬州市科技计划项目(No.YZ2023246)、扬州大学青蓝项目和江苏省研究生教育创新项目科研创新计划(No.KYCX23_3530)的资助。

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