自组装含纳氧化锌检测低浓度癌症生物标志物挥发性有机物

开发用于检测低浓度肺癌癌症标志物的高性能气体传感器是通过呼吸测试实现早期肺癌癌症监测的关键一步。金属氧化物半导体（MOS）长期以来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（如甲醛、异丙醇、丙酮和氨）检测癌症的特征挥发性有机物浓度通常低于1ppm。大多数金属氧化物在如此低的浓度下难以做出反应，这可能会影响癌症的早期诊断

基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器在检测挥发性有机物方面显示出了前景，但其在极低浓度下的有效性仍然是一个挑战。呼吸样本中癌症生物标志物VOCs（如甲醛、异丙醇、丙酮和氨）的浓度通常低于1ppm，这使得大多数金属氧化物难以产生高反应。克服这一限制对于改善癌症的早期诊断至关重要

为了应对上述挑战，中国扬州大学表面工程研究所的张超教授领导的一个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，特别是在柠檬酸的辅助下掺杂钠离子。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，实现检测低浓度VOCs的高响应性

该团队在《高级陶瓷杂志》上发表了他们的研究

“金属离子掺杂被有效地用于提高ZnO的传感性能。特别是，ZnO对碱金属元素高度敏感，并表现出良好的掺杂稳定性，这将使离子更容易掺杂到ZnO的晶格中，从而形成更多的氧空位，”该研究的高级作者Chao Zhang说

“此外，碱金属在ZnO晶格中的溶解度与掺杂离子的半径密切相关，低浓度的掺杂会使受主能级难以产生。钠离子的半径比锌离子高，溶解度高。有利于提高钠掺杂的稳定浓度，导致浅受主能级的形成，”张补充道

研究人员使用溶剂热法用不同量的柠檬酸制备了掺钠ZnO的三维纳米针。该团队评估了亚ppm浓度下掺杂ZnO对癌症生物标志物的气敏性能，优化了制备方法，并获得了柠檬酸和钠离子的最佳比例

此外，研究人员解释了提高气敏性能的机制。Na离子取代Zn离子中心产生更多的氧空位，增加了氧缺陷的浓度（Ov=20.98%），并增加了目标气体吸附位点

此外，引入Na作为杂质能级，使其成为接近价带顶部的受体能级，该价带与纯ZnO的价带接触。这降低了带隙的宽度，并进一步刺激了电子跳跃，从而提高了气敏性能