Selvsamlet Na-doteret zinkoxid til påvisning af lungekræft biomarkør VOC'er i lave koncentrationer

Udvikling af højtydende gassensorer til påvisning af lungekræftmarkører ved lave koncentrationer er et afgørende skridt i retning af at opnå tidlig lungekræftovervågning gennem åndedrætstest. Metaloxidhalvledere (MOS) har længe været følsomme over for flygtige organiske forbindelser (VOC'er), hvilket viser fremragende ydeevneegenskaber.

Koncentrationen af ​​karakteristiske VOC'er til påvisning af lungekræft baseret på udåndingstest (såsom formaldehyd, isopropanol, acetone og ammoniak) er dog typisk mindre end 1 ppm. De fleste metaloxider kæmper for at reagere ved så lave koncentrationer, hvilket kan påvirke den tidlige diagnose af lungekræft.

Gassensorer baseret på metaloxidhalvledere (MOS) har vist lovende at detektere VOC'er, men deres effektivitet ved meget lave koncentrationer er fortsat en udfordring. Koncentrationen af ​​lungekræft biomarkør VOC'er (såsom formaldehyd, isopropanol, acetone og ammoniak) i udåndingsprøver er ofte under 1 ppm, hvilket gør det vanskeligt for de fleste metaloxider at generere en høj respons. At overvinde denne begrænsning er afgørende for at forbedre tidlig lungekræftdiagnose.

For at løse de ovennævnte udfordringer har et team af materialeforskere ledet af professor Chao Zhang fra Institute of Surface Engineering ved Yangzhou University, Kina, for nylig skitseret udviklingen af ​​alkalimetalion-doterede ZnO nanonåle, specifikt dopet med natrium (Na) ioner, assisteret af citronsyre. Denne tilgang har til formål at forbedre ydeevnen af ​​metaloxidbaserede elektrokemiske gassensorer, hvilket muliggør høj reaktionsevne til at detektere VOC'er i lave koncentrationer.

Holdet offentliggjorde deres undersøgelse i Journal of Advanced Ceramics .

"Metalion-doping bruges effektivt til at forbedre ZnO's sensorydelse. Specielt er ZnO meget følsom over for alkalimetalelementer og udviser god dopingstabilitet, hvilket vil gøre det lettere for ioner at blive dopet ind i ZnO-gitteret, hvilket fører til dannelse af flere ilt ledige stillinger," sagde Chao Zhang, seniorforfatter af undersøgelsen.

"Derudover er opløseligheden af ​​alkalimetaller i ZnO-gitteret tæt forbundet med radius af dopingionerne, og en lav koncentration af doping vil gøre det vanskeligt at generere acceptorenerginiveauet. Na-ioner har en højere radius end Zn-ioner og viser høj opløselighed Det er gunstigt at forbedre den stabile koncentration af Na-doping, hvilket fører til dannelsen af ​​det overfladiske acceptorniveau," tilføjede Zhang.

Forskerne brugte en solvotermisk metode til at fremstille tredimensionelle nanonåle af Na-doteret ZnO med forskellige mængder citronsyre. Holdet evaluerede gassensing-egenskaberne af Na-doteret ZnO til lungekræftbiomarkører ved sub-ppm-koncentrationer, fremstillingsmetoden blev optimeret, og det optimale forhold mellem citronsyre og Na-ion blev opnået.

Eksperimentet viste, at den Na-dopede ZnO-gassensor udviste en høj følsomhed (~ 21,3@5ppm/50% RH) over for lungekræft biomarkør VOC'er ved lave koncentrationer, hvilket er 7 gange højere end rent ZnO. Derudover udviste den resulterende gassensor fremragende selektivitet for formaldehyd, god fugtbestandighed og pålidelig repeterbarhed ved en optimal temperatur på 225°C.

Derudover forklarede forskerne mekanismen bag den forbedrede gasfølsomme ydeevne. Na-ionerne erstattede Zn-ioncentrene for at producere flere ilt ledige pladser, hvilket øgede koncentrationen af ​​iltdefekter (O_v =20,98 %), og målgasadsorptionsstederne blev øget.

Desuden blev Na introduceret som et urenhedsenerginiveau for at blive acceptorenerginiveauet tæt på toppen af ​​valensbåndet, som var i kontakt med valensbåndet af det rene ZnO. Dette sænkede bredden af ​​båndgabet og stimulerede yderligere elektronspringene, hvilket forbedrede den gasfølsomme ydeevne.

Flere oplysninger: Yiwen Zhou et al., Urchin-lignende Na-dopet zinkoxid-nano-nåle til lav koncentration og eksklusive VOC-detektioner, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220873

Leveret af Tsinghua University Press