Att utveckla högpresterande gassensorer för detektering av lungcancermarkörer vid låga koncentrationer är ett avgörande steg mot att uppnå tidig lungcancerövervakning genom utandningsprov. Metalloxidhalvledare (MOS) har länge varit känsliga för flyktiga organiska föreningar (VOC), vilket visar utmärkta prestandaegenskaper.
Koncentrationen av karakteristiska flyktiga organiska föreningar för upptäckt av lungcancer baserat på utandningsprov (som formaldehyd, isopropanol, aceton och ammoniak) är dock vanligtvis mindre än 1 ppm. De flesta metalloxider kämpar för att svara vid så låga koncentrationer, vilket kan påverka den tidiga diagnosen av lungcancer.
Gassensorer baserade på metalloxidhalvledare (MOS) har visat sig lovande när det gäller att detektera VOC, men deras effektivitet vid mycket låga koncentrationer är fortfarande en utmaning. Koncentrationen av lungcancerbiomarkörer VOC (som formaldehyd, isopropanol, aceton och ammoniak) i utandningsprover är ofta under 1 ppm, vilket gör det svårt för de flesta metalloxider att generera en hög respons. Att övervinna denna begränsning är avgörande för att förbättra tidig lungcancerdiagnostik.
För att ta itu med ovannämnda utmaningar har ett team av materialforskare under ledning av professor Chao Zhang från Institute of Surface Engineering vid Yangzhou University, Kina, nyligen beskrivit utvecklingen av alkalimetalljondopade ZnO nanonålar, specifikt dopade med natrium (Na) joner, assisterad av citronsyra. Detta tillvägagångssätt syftar till att förbättra prestandan hos metalloxidbaserade elektrokemiska gassensorer, vilket möjliggör hög respons för att detektera VOC i låga koncentrationer.
Teamet publicerade sin studie i Journal of Advanced Ceramics .
"Metalljondopning används effektivt för att förbättra avkänningsprestandan hos ZnO. Speciellt är ZnO mycket känslig för alkalimetallelement och uppvisar god dopningsstabilitet, vilket kommer att göra det lättare för joner att dopas in i ZnO-gittret, vilket leder till bildandet av fler syrevakanser", säger Chao Zhang, senior författare till studien.
"Dessutom är lösligheten av alkalimetaller i ZnO-gittret nära relaterad till radien för dopingjonerna, och en låg koncentration av dopning gör det svårt att generera acceptorenerginivån. Na-joner har en högre radie än Zn-joner och visa hög löslighet Det är fördelaktigt att förbättra den stabila koncentrationen av Na-dopning, vilket leder till bildningen av den ytliga acceptornivån," tillade Zhang.
Forskarna använde en solvotermisk metod för att tillverka tredimensionella nanonålar av Na-dopad ZnO med olika mängder citronsyra. Teamet utvärderade gasavkänningsegenskaperna hos Na-dopad ZnO till biomarkörer för lungcancer vid sub-ppm-koncentrationer, beredningsmetoden optimerades och det optimala förhållandet mellan citronsyra och Na-jon erhölls.
Experimentet visade att den Na-dopade ZnO-gassensorn uppvisade en hög känslighet (~ 21,3@5ppm/50% RH) för lungcancerbiomarkörer VOC vid låga koncentrationer, vilket är 7 gånger högre än den för ren ZnO. Dessutom uppvisade den resulterande gassensorn utmärkt selektivitet för formaldehyd, god fuktbeständighet och pålitlig repeterbarhet vid en optimal temperatur på 225°C.
Dessutom förklarade forskarna mekanismen för den förbättrade gaskänsliga prestandan. Na-jonerna ersatte Zn-joncentra för att skapa fler syrevakanser, vilket ökade koncentrationen av syredefekter (Ov =20,98 %) och målgasadsorptionsställena ökade.
Dessutom introducerades Na som en föroreningsenerginivå för att bli acceptorenerginivån nära toppen av valensbandet, som var i kontakt med valensbandet för det rena ZnO. Detta minskade bandgapets bredd och stimulerade ytterligare elektronsprången, vilket förbättrade den gaskänsliga prestandan.
Mer information: Yiwen Zhou et al, Urchin-liknande Na-dopade zinkoxidnanoålar för lågkoncentration och exklusiva VOC-detektioner, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220873
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
