用呼吸气体分析检测糖尿病将成为可能？南方科技大学汪飞副教授课题组提出一种用于检测超低浓度丙酮气体的复合纳米阵列

南方科技大学汪飞副教授课题组报道了一种α-Fe₂O₃与SnO₂的一维/二维复合结构纳米阵列，可以检测亚ppm（parts per million，百万分之一）浓度的丙酮气体，可用于呼吸分析检测糖尿病，相关成果以“Construction of 1D/2D α-Fe₂O₃/SnO₂ Hybrid Nanoarrays for Sub-ppm Acetone Detection”为题发表在Research上（Research, 2020, DOI: 10.34133/2020/2196063）。

研究背景

目前最常见的糖尿病诊断方式是血糖检测，但血液采集过程会对患者造成一定痛苦，且该检测方法较为耗时。而呼吸气体分析作为一种便捷、非侵入式的疾病检测手段，近年来已经引起了研究人员的关注。人呼出气体中的一些物质可以作为特定疾病的生物标志物，其中呼出的丙酮被认定为I型糖尿病的生物标志物。据研究，在正常人呼出气体中丙酮浓度为0.3～0.9 ppm，而I型糖尿病患者的呼出气体中丙酮浓度超过1.8 ppm。因此，检测亚ppm浓度丙酮的气体传感器有望用于I型糖尿病的呼吸气体分析。

常见的血糖检测方法

然而在实际应用中，呼吸气体分析面临着多重挑战。首先，呼出气体中对应特定疾病的生物标志物的浓度往往很低，需要气体传感器对于超低浓度的目标气体有高的灵敏度；其次，考虑到呼出气体中组分的多样性和敏感材料对不同气体的交叉敏感性，还要求器件对特定目标气体有足够高的选择性；此外，人呼出气体中含有大量的水蒸气，水分子的存在会严重影响器件的气敏性能；最后，器件的可靠性和长期稳定性也是实际检测中重要的考量因素。总之，面对呼吸气体分析中遇到的各种困难，开发一种针对超低浓度丙酮具有良好敏感性能的气体传感器，具有十分重要的研究价值。

研究进展

课题组成员利用简单的两步化学浴沉积方法，直接在叉指电极表面依次生长了二维SnO₂纳米片阵列和一维FeOOH纳米棒，经过退火处理，片上合成了α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列（图1a）。图2给出了叉指电极表面生长的纯SnO2纳米片阵列和α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列的电镜图片。可以看出，在复合纳米阵列中，SnO₂纳米片均匀附着在电极表面，大量超细直径的α-Fe₂O₃纳米棒均匀散布在SnO₂纳米片上。

图1  (a)通过两步化学浴沉积法在叉指电极上制备α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列，(b, c)气体测试平台示意图和实物图

图2  (a, b, e, f)纯SnO₂纳米片阵列和(c, d, g, h) α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列的电镜图

如图3所示，相对于纯的SnO₂纳米片阵列和α-Fe₂O₃纳米棒，α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列在相同测试条件下对丙酮气体的响应有着显著提升。例如，α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列在340 °C最佳工作温度下，对0.4 ppm丙酮气体仍具出较高响应。相对于其它干扰气体（甲醛、甲苯、苯、氨气），α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列对丙酮的响应最高，表明器件的选择性得到了极大提升。

图3  基于纯SnO2纳米片、Fe₂O₃纳米棒和α-Fe2O3/SnO2复合纳米阵列的气体传感器在(a)不同工作温度、(b–e)不同丙酮浓度和(f)不同目标气体中的响应特性

与此同时，以上三组器件在相同浓度丙酮的连续循环测试中均表现出良好的可重复性，如图4（a–d）所示。研究人员还考察了α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米阵列的长期稳定性（图4e）。考虑到人呼出气体的湿度因素（RH ≥ 80%），本文进一步探究了复合纳米阵列在不同湿度条件下（20%～90% RH）的丙酮响应，发现在较高湿度环境下，器件对丙酮的响应明显降低。因此，接下来的研究工作将尝试一些可行的方案（如采用除水过滤膜）来消除环境湿度的影响，这对实际应用至关重要。

图4  器件对丙酮气体检测的重复性、长期稳定性及不同湿度条件下的响应

未来展望

本工作通过简单的两步化学浴沉积法实现了1D/2D α-Fe₂O₃/SnO₂复合纳米结构体系的片上合成，所制备的器件对亚ppm浓度丙酮表现了优异的气敏性能。尽管现有的研究结果表明器件在实际应用转化的过程中存在一些亟需改进的问题，但是该成果为超低浓度丙酮气体传感器的设计提供了一种新的研究思路，预示着α-Fe₂O₃/SnO₂复合结构体系在呼吸气体分析领域潜在的应用前景。

作者简介

汪飞现任南方科技大学深港微电子学院副教授，深圳市重点实验室副主任，IEEE协会高级会员。入选深圳市孔雀计划、广东省高层次人才特殊支持计划，2016年获得广东省自然科学杰出青年基金资助，2018年获得深圳“青年科技奖”。

汪飞课题组的研究重点包括微纳器件加工与制造、能量收集器、气体传感器、生物传感器、湿度传感器和微纳测试探针等。累计发表学术论文140余篇，其中SCI期刊论文70余篇，在IEEE MEMS、Transducers、IEDM等国际会议发表论文70余篇。申请中国专利15项，已获批5项发明专利，申请国际专利2项，已获批1项并已实现成果转化。

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