Le développement de capteurs de gaz haute performance pour la détection de marqueurs du cancer du poumon à faibles concentrations constitue une étape cruciale vers la réalisation d’une surveillance précoce du cancer du poumon grâce à des tests respiratoires. Les semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) sont depuis longtemps sensibles aux composés organiques volatils (COV), démontrant d’excellentes caractéristiques de performance.
Cependant, la concentration de COV caractéristiques pour la détection du cancer du poumon basée sur des tests respiratoires (tels que le formaldéhyde, l’isopropanol, l’acétone et l’ammoniac) est généralement inférieure à 1 ppm. La plupart des oxydes métalliques ont du mal à réagir à des concentrations aussi faibles, ce qui peut avoir un impact sur le diagnostic précoce du cancer du poumon.
Les capteurs de gaz basés sur des semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) se sont révélés prometteurs dans la détection des COV, mais leur efficacité à de très faibles concentrations reste un défi. La concentration de COV, biomarqueurs du cancer du poumon (tels que le formaldéhyde, l’isopropanol, l’acétone et l’ammoniac) dans les échantillons d’haleine est souvent inférieure à 1 ppm, ce qui rend difficile pour la plupart des oxydes métalliques de générer une réponse élevée. Surmonter cette limitation est essentiel pour améliorer le diagnostic précoce du cancer du poumon.
Pour relever les défis mentionnés ci-dessus, une équipe de scientifiques en matériaux dirigée par le professeur Chao Zhang de l’Institut d’ingénierie des surfaces de l’Université de Yangzhou, en Chine, a récemment présenté le développement de nanoaiguilles de ZnO dopées aux ions de métaux alcalins, spécifiquement dopées au sodium (Na) ions, assistés par l’acide citrique. Cette approche vise à améliorer les performances des capteurs de gaz électrochimiques à base d’oxydes métalliques, permettant une grande réactivité pour détecter les COV à faibles concentrations.
L’équipe publié leur étude dans le Journal des céramiques avancées.
« Le dopage aux ions métalliques est utilisé efficacement pour améliorer les performances de détection du ZnO. En particulier, le ZnO est très sensible aux éléments métalliques alcalins et présente une bonne stabilité de dopage, ce qui facilitera le dopage des ions dans le réseau du ZnO, conduisant à la formation d’un plus grand nombre de lacunes en oxygène », a déclaré Chao Zhang, auteur principal de l’étude.
« De plus, la solubilité des métaux alcalins dans le réseau ZnO est étroitement liée au rayon des ions dopants, et une faible concentration de dopage rendra difficile la génération du niveau d’énergie de l’accepteur. Les ions Na ont un rayon plus élevé que les ions Zn. et présentent une solubilité élevée. Il est favorable d’améliorer la concentration stable du dopage au Na, conduisant à la formation d’un niveau d’accepteur peu profond », a ajouté Zhang.
Les chercheurs ont utilisé une méthode solvothermique pour fabriquer des nanoaiguilles tridimensionnelles de ZnO dopé au Na avec différentes quantités d’acide citrique. L’équipe a évalué les propriétés de détection de gaz du ZnO dopé au Na par rapport aux biomarqueurs du cancer du poumon à des concentrations inférieures au ppm, la méthode de préparation a été optimisée et le rapport optimal entre l’acide citrique et l’ion Na a été obtenu.
L’expérience a montré que le capteur de gaz ZnO dopé au Na présentait une sensibilité élevée (~ 21,3 à 5 ppm/50 % HR) aux COV, biomarqueurs du cancer du poumon, à de faibles concentrations, 7 fois supérieure à celle du ZnO pur. De plus, le capteur de gaz résultant présentait une excellente sélectivité pour le formaldéhyde, une bonne résistance à l’humidité et une répétabilité fiable à une température optimale de 225 °C.
De plus, les chercheurs ont expliqué le mécanisme de l’amélioration des performances sensibles aux gaz. les ions Na ont remplacé les centres d’ions Zn pour produire davantage de lacunes en oxygène, ce qui a augmenté la concentration de défauts en oxygène (Ov = 20,98 %) et les sites d’adsorption des gaz cibles ont été augmentés.
De plus, Na a été introduit comme niveau d’énergie d’impureté pour devenir le niveau d’énergie accepteur proche du sommet de la bande de valence, qui était en contact avec la bande de valence du ZnO pur. Cela a réduit la largeur de la bande interdite et a stimulé davantage les sauts d’électrons, améliorant ainsi les performances sensibles aux gaz.
Plus d’information:
Yiwen Zhou et al, Nanoaiguilles d’oxyde de zinc dopées au Na de type Urchin pour des détections de COV exclusives et à faible concentration, Journal des céramiques avancées (2024). DOI : 10.26599/JAC.2024.9220873
Fourni par Tsinghua University Press