用于糖尿病人呼出氣丙酮探測的氣敏傳感器.pdf

1、近年來研究發(fā)現(xiàn)，可以通過呼出氣中的特定有機揮發(fā)物質(zhì)(VOCs)來檢測某些疾病。相較于血液檢測和內(nèi)窺鏡等方式，這一手段具有無痛、便捷、迅速、經(jīng)濟等優(yōu)勢，因而引起廣泛關(guān)注。其中呼出氣中的丙酮被公認為是糖尿病的標志物，目前已有多種氣體分析技術(shù)應用于呼出氣丙酮的探測，包括:氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)、離子遷移譜法(IMS)、選擇離子流動管質(zhì)譜技術(shù)(SIFT-MS)和質(zhì)子轉(zhuǎn)移-質(zhì)譜法(PTR-MS)。然而這些方法都成本很高、體積較大、操作

2、復雜，并不適用于制作為便攜的丙酮探測器。半導體氣敏電阻傳感器由于其體積小、穩(wěn)定性高、便于操作、造價低等優(yōu)勢，成為比較合適的呼出氣丙酮探測手段。目前已有大量基于ZnO、SnO2、CeO2、WO3、Fe2O3、In2O3、TiO2等氧化物半導體的氣敏傳感器被相繼報道。
　　丙酮在呼吸氣里的含量很低，大概在ppm數(shù)量級。為了探測如此低濃度的丙酮并通過其含量區(qū)分健康人和糖尿病人，就需要高靈敏度和高選擇性的丙酮探測器來實現(xiàn)。再提高材料靈敏度

3、方面，研究者做了很多努力，在不考慮濕度的情況下，能探測到0.2ppm的低含量丙酮。然而在提高材料靈敏度上做努力的同時，還應考慮傳感器實際應用的環(huán)境，比如呼出氣體的高濕度特性。研究者們檢測了高濕度環(huán)境下的丙酮氣敏性能，發(fā)現(xiàn)部分半導體氣敏傳感器依然能夠探測出20ppb的超低含量丙酮。但是不同于GC-MS、SIFT-MS等檢測方法可以對某一特定氣體進行檢測，半導體電阻型氣敏傳感器只能對呼出氣中的所有氣體進行綜合響應。要想通過呼出氣中的丙酮含量

4、掌握糖尿病人的病情，呼出氣中的其他干擾氣體必須被排除。除此之外，必須開展相應臨床試驗,探究電阻氣敏傳感器在實際應用中是否具有分辨健康人和糖尿病人以及判斷病情能力。
　　本論文的主要研究結(jié)果如下:
　　1、0-10mol.％ Sm2O3-SnO2摻雜納米晶傳感器對丙酮表現(xiàn)出明顯的氣敏靈敏性，Sm2O3摻雜摩爾比為5％的納米傳感器對丙酮表現(xiàn)出最大響應，在20％RH濕度下，5mol.％ Sm2O3-SnO2對0.5ppm丙酮的響應

5、達到了4.16（傳感器工作溫度為240攝氏度）?？紤]呼出氣中的濕度較大，分別研究了5mol.％ Sm2O3-SnO2傳感器在20％RH、35％RH、80％RH不同濕度下對丙酮的響應。實驗結(jié)果表明，隨濕度增大，氣敏元件的靈敏度會降低?？紤]到呼出氣中含有較高濃度的二氧化碳，所以本文同時研究了5mol.％Sm2O3-SnO2傳感器對CO2氣體的響應特性，結(jié)果表明呼出氣中的CO2對探測丙酮的影響不能忽視，為排除CO2對探測丙酮的干擾，在本文章中

6、對CO2和丙酮的混合氣體進行了氣敏響應測試。在呼出氣試驗中，通過GC-MS技術(shù)探測了7個糖尿病人和1個健康人呼出氣中的實際丙酮含量，并將實驗結(jié)果與5mol.％ Sm2O3-SnO2氣敏傳感器結(jié)果進行了對比分析。
　　2、通過溶膠-凝膠和共沉淀法制備了不同摻雜比的Re2O3-SnO2(Re=Gd、Pr)納米粉體材料，并制成氣敏元件。丙酮氣敏測試結(jié)果表明，在600℃下退火的5mol.％Re2O3-SnO2厚膜傳感器在240℃的工作溫度

7、時對丙酮表現(xiàn)出最佳的氣敏性能，其中5mol.％Gd2O3-SnO2傳感器對丙酮的氣敏響應優(yōu)于5mol.％Pr2O3-SnO2傳感器，且恢復時間更短，重復利用性好。5mol.％Pr2O3-SnO2傳感器卻對CO2氣體表現(xiàn)出較好的氣敏性能，我們對其小含量CO2氣體的氣敏性能進行了測試。由于5mol.％Pr2O3-SnO2傳感器對CO2有較好的氣敏性能，使得CO2對其檢測呼出氣丙酮的過程干擾較大，因此我們認為5mol.％Gd2O3-SnO2傳

8、感器更適合用于呼吸丙酮的檢測，而5mol.％Pr2O3-SnO2傳感器可以用作CO2的探測。
　　3、通過溶膠-凝膠制備了HoFeO3和Pd、碳納米管（燒結(jié)前）摻雜的HoFeO3納米粉體材料。與純HoFeO3氣敏元件相比，所有摻雜材料對丙酮的性能均有提高，其中摻雜質(zhì)量比為1％ CN（碳納米管）-HoFeO3材料在180℃工作溫度時表現(xiàn)出對丙酮的最佳氣敏響應。1wt.％ CN-HoFeO3傳感器的濕敏特性與純HoFeO3不同，且恢復