Na-dotiertes selbstorganisiertes Zinkoxid zum Nachweis von Lungenkrebs-Biomarker-VOCs in niedrigen Konzentrationen

Die Entwicklung leistungsstarker Gassensoren zur Erkennung von Lungenkrebsmarkern in niedrigen Konzentrationen ist ein entscheidender Schritt zur frühzeitigen Überwachung von Lungenkrebs durch Atemwegstests. Metalloxidhalbleiter (MOS) reagieren seit langem empfindlich auf flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und weisen hervorragende Leistungseigenschaften auf.

Allerdings liegt die Konzentration an VOCs, die für die Erkennung von Lungenkrebs anhand von Atemtests charakteristisch sind (z. B. Formaldehyd, Isopropanol, Aceton und Ammoniak), im Allgemeinen unter 1 ppm. Die meisten Metalloxide reagieren bei solch niedrigen Konzentrationen nur schwer, was sich negativ auf die Frühdiagnose von Lungenkrebs auswirken 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, Lungenkrebs-Biomarkern (wie Formaldehyd, Isopropanol, Aceton und Ammoniak) in Atemproben beträgt oft weniger als 1 ppm, was es für die meisten Oxide zu Metall 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, stellte ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Professor Chao Zhang vom Institut für Oberflächentechnik der Universität Yangzhou, China, kürzlich die Entwicklung von dotierten ZnO-Nanonadeln vor, um Alkalimetallionen, insbesondere dotiert mit Natrium (Na), zu lösen. Ionen, unterstützt durch Zitronensäure. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Leistung elektrochemischer Gassensoren auf Metalloxidbasis zu verbessern und eine hohe Reaktionsfähigkeit bei der Erkennung von VOCs in niedrigen Konzentrationen zu ermöglichen.

Das Team veröffentlichte seine Studie im Zeitschrift für Hochleistungskeramik.

„Die Dotierung mit Metallionen wird wirksam eingesetzt, um die Nachweisleistung von ZnO zu verbessern. Insbesondere ist ZnO sehr empfindlich gegenüber Alkalimetallelementen und weist eine gute Dotierungsstabilität auf, was die Ionendotierung in das ZnO-Gitter erleichtert und zur Bildung von mehr Sauerstoffleerstellen führt.“ “, sagte Chao Zhang, Hauptautor 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 Energieniveaus des Akzeptors. Na-Ionen haben einen größeren Radius als Zn-Ionen.“ und weisen eine hohe Löslichkeit auf. Es ist günstig, die stabile Konzentration der Na-Dotierung zu verbessern, was zur Bildung eines 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 im Vergleich zu Lungenkrebs-Biomarkern bei Konzentrationen im Sub-ppm-Bereich, optimierte die Herstellungsmethode und erzielte das optimale Verhältnis zwischen 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 VOCs, Lungenkrebs-Biomarkern, aufwies, die siebenmal höher war 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 gassensitiven Leistungssteigerung. Na-Ionen ersetzten Zn-Ionenzentren, um mehr Sauerstofffehlstellen zu erzeugen, was die Konzentration von Sauerstoffdefekten erhöhte (O_v= 20,98 %), und die Adsorptionsstellen der Zielgase wurden erhöht.

Zusätzlich wurde Na als Verunreinigungsenergieniveau eingeführt, um zum Akzeptorenergieniveau in der Nähe des Höhepunkts des Valenzbandes zu werden, das mit dem Valenzband von reinem ZnO in Kontakt stand. Dies verringerte die Bandlückenbreite und stimulierte mehr Elektronenhüpfen, wodurch die gasempfindliche Leistung verbessert wurde.