Die Entwicklung leistungsstarker Gassensoren zur Erkennung von Lungenkrebsmarkern in niedrigen Konzentrationen ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer Früherkennung von Lungenkrebs durch Atemtests. Metalloxidhalbleiter (MOS) reagieren seit langem empfindlich auf flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und weisen hervorragende Leistungseigenschaften auf.
Die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die für die Erkennung von Lungenkrebs anhand von Atemtests charakteristisch sind (z. B. Formaldehyd, Isopropanol, Aceton und Ammoniak), liegt jedoch typischerweise unter 1 ppm. Die meisten Metalloxide reagieren bei solch niedrigen Konzentrationen nur schwer, was Auswirkungen auf die Frühdiagnose von Lungenkrebs haben kann.
Auf Metalloxidhalbleitern (MOS) basierende Gassensoren haben sich bei der Erkennung von VOCs als vielversprechend erwiesen, ihre Wirksamkeit bei sehr niedrigen Konzentrationen bleibt jedoch eine Herausforderung. Die Konzentration von VOCs (VOCs) für Lungenkrebs-Biomarker (wie Formaldehyd, Isopropanol, Aceton und Ammoniak) in Atemproben liegt oft unter 1 ppm, was es für die meisten Metalloxide schwierig macht, eine hohe Reaktion zu erzeugen. Die Überwindung dieser Einschränkung ist für die Verbesserung der Frühdiagnose von Lungenkrebs von entscheidender Bedeutung.
Um die oben genannten Herausforderungen anzugehen, hat ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Professor Chao Zhang vom Institut für Oberflächentechnik der Universität Yangzhou, China, kürzlich die Entwicklung von mit Alkalimetallionen dotierten ZnO-Nanonadeln skizziert, die speziell mit Natrium (Na) dotiert sind. Ionen, unterstützt durch Zitronensäure. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Leistung von elektrochemischen Gassensoren auf Metalloxidbasis zu verbessern und eine hohe Reaktionsfähigkeit bei der Erkennung von VOCs in niedrigen Konzentrationen zu ermöglichen.
Das Team veröffentlicht ihr Studium in der Zeitschrift für Hochleistungskeramik.
„Die Dotierung mit Metallionen wird effektiv genutzt, um die Sensorleistung von ZnO zu verbessern. Insbesondere ist ZnO sehr empfindlich gegenüber Alkalimetallelementen und weist eine gute Dotierungsstabilität auf, was die Dotierung von Ionen in das Gitter von ZnO erleichtert, was zu … Bildung von mehr Sauerstoff-Leerstellen“, sagte Chao Zhang, leitender Autor der Studie.
„Darüber hinaus hängt die Löslichkeit von Alkalimetallen im ZnO-Gitter eng mit dem Radius der Dotierstoffionen zusammen, und eine niedrige Dotierungskonzentration erschwert die Erzeugung des Akzeptorenergieniveaus. Na-Ionen haben einen größeren Radius als Zn-Ionen.“ und zeigen eine hohe Löslichkeit, um die stabile Konzentration der Na-Dotierung zu verbessern, was zur Bildung des flachen Akzeptorniveaus führt“, fügte Zhang hinzu.
Die Forscher verwendeten eine Solvothermalmethode, um dreidimensionale Nanonadeln aus Na-dotiertem ZnO mit unterschiedlichen Mengen Zitronensäure herzustellen. Das Team bewertete die Gaserkennungseigenschaften von Na-dotiertem ZnO für Lungenkrebs-Biomarker bei Konzentrationen im Sub-ppm-Bereich, optimierte die Herstellungsmethode und erzielte das optimale Verhältnis von Zitronensäure und Na-Ionen.
Das Experiment zeigte, dass der Na-dotierte ZnO-Gassensor bei niedrigen Konzentrationen eine hohe Empfindlichkeit (~ 21,3 bei 5 ppm/50 % relative Luftfeuchtigkeit) gegenüber Lungenkrebs-Biomarker-VOCs aufwies, die siebenmal höher ist als die von reinem ZnO. Darüber hinaus zeigte der resultierende Gassensor eine hervorragende Selektivität für Formaldehyd, eine gute Feuchtigkeitsbeständigkeit und eine zuverlässige Wiederholbarkeit bei einer optimalen Temperatur von 225 °C.
Darüber hinaus erklärten die Forscher den Mechanismus der verbesserten gasempfindlichen Leistung. Die Na-Ionen ersetzten die Zn-Ionenzentren, um mehr Sauerstofffehlstellen zu erzeugen, was die Konzentration von Sauerstoffdefekten erhöhte (Ov = 20,98 %) und die Zielgasadsorptionsstellen vergrößerten.
Darüber hinaus wurde Na als Verunreinigungsenergieniveau eingeführt, um zum Akzeptorenergieniveau nahe der Spitze des Valenzbandes zu werden, das mit dem Valenzband des reinen ZnO in Kontakt stand. Dies verringerte die Breite der Bandlücke und stimulierte die Elektronensprünge weiter, wodurch die gasempfindliche Leistung verbessert wurde.
Mehr Informationen:
Yiwen Zhou et al., Urchin-ähnliche Na-dotierte Zinkoxid-Nanonadeln für den Nachweis niedriger Konzentrationen und exklusiver VOC, Zeitschrift für Hochleistungskeramik (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220873
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