多层有序介孔氧化钨薄膜的可控构筑及对痕量丙酮的气敏选择性研究

Acetone in the human breath, as an accepted biomarker of diabetes mellitus, is very important to detect diabetes if its concentration can be detected timely and rapidly. Metal-oxide semiconducting materials have received growing attention in breath analysis for their high sensitivity and rapid response. The selectivity towards acetone is the key to predicate whether metal-oxide semiconducting materials are suitable for breath detecting. In this project, the enhancement of selectivity towards acetone is by controlling the phase and polarity of doped-WO3, which strengthens the interaction force between the acetone molecules and WO3, via directly constructing ordered mesoporous WO3 multilayer films on gas sensors using layer-by-layer technique. The selectivity is simultaneously improved on the basis of optimizing and stabilizing the phase of WO3 by increasing the specific area and response sites of the sensing film and by controlling adsorption effect and diffusion speed of the molecules. The underlying causes of the selectivity are explored by probing the relationship between the selectivity and the component, phase and microstructure through investigating the influence of the dopant and the microstructure of the materials on the acetone selectivity. Results of this project may not only provide new materials for selective detecting trace acetone, but also supply experimental evidence and theoretical basis to the development of acetone breath analysis instruments for real-time monitoring diabetes.

呼气中的痕量丙酮是糖尿病的生物标志物，实时、快速测定其含量，对于糖尿病的早期筛查和监测具有重要意义。金属氧化物半导体材料具有灵敏度高、响应快等特点而受到呼气分析领域的广泛关注，而丙酮选择性是判断金属氧化物材料能否应用于呼气检测的关键。本项目采用层层组装技术，在气敏元件上直接构筑多层有序介孔WO3膜，通过掺杂Cu2+、Zn2+、Cr3+等金属离子控制WO3晶相和极性，增强丙酮分子与WO3的相互作用；通过增加膜的比表面积和反应位点，控制气体分子在介孔膜内的吸附作用及扩散速率，协同提高丙酮选择性。在对WO3介孔膜表征的基础上，通过考察掺杂离子、膜微观结构等对丙酮选择性的影响，探讨丙酮选择性与材料组成、物相、结构之间的关系，揭示丙酮选择性的深层原因。本课题研究，不仅可以为痕量丙酮的选择性检测提供一种新材料，还可以为丙酮呼吸分析仪的开发提供理论和实验依据。

利用金属氧化物半导体材料检测呼气中的丙酮具有灵敏度高、结果快速反馈等优点，有望应用于糖尿病的早期诊断和疗效监控。然而呼气成分复杂且丙酮含量甚微，因此，提高检测丙酮的灵敏度和选择性成为半导体材料应用于糖尿病检测的关键。本课题根据ε-WO3与丙酮分子作用最强这一特点提高丙酮选择性。由于ε-WO3在工作温度下不稳定。因此，我们以碳球为模板制备C掺杂ε-WO3，通过碳掺杂提高其稳定性。结果表明，所制备的材料无论是对丙酮的气敏响应、选择性、重复性，抑或是材料的稳定性，都优于未掺杂的WO3。在C掺杂稳定ε-WO3的基础上，为进一步提高材料的灵敏度，我们又制备了Fe/C共掺杂WO3气敏材料。结果表明，共掺气敏材料对丙酮具有更高的气敏响应、更佳的丙酮选择性和稳定性。此外，由于甲苯不仅是肺病的生物标志物，而且是常见的有机溶剂，因此我们合成了Au-WO3用于甲苯的选择性检测。结果表明，Au-WO3材料对甲苯和二甲苯的响应最佳，表明Au的负载促进了WO3对甲苯的选择性。. 三维有序大孔（3DOM）材料具有高度有序的孔结构，比表面积大，是理想的气敏材料。首先我们通过聚苯乙烯(PS)模板法制备了3DOM WO3气敏材料，初步研究结果表明，所制备的3DOM WO3材料对丙酮灵敏度高, 检测限可低至0.2 ppm，且丙酮选择性和稳定性良好。孔径是3DOM材料的一个重要参数，我们通过改变PS模板粒径制备了一系列3DOM WO3气敏材料，研究了不同孔径对材料气敏性能的影响。结果表明，所制备材料为3DOM 碳掺杂WO3材料，对丙酮的响应随孔径呈规律性变化，其中孔径为410 nm的材料具有最佳的丙酮灵敏度。最后，根据灵敏度的孔径依赖性提出了孔径影响气敏性能的内在原因。在优化的3DOM 碳掺杂WO3材料基础上，我们又合成镍碳共掺杂3DOM WO3材料，研究了不同镍掺杂量对材料气敏性能的影响。结果表明，镍的百分含量为3%时，丙酮灵敏度得到进一步提高。. 除了进行WO3材料气敏性能研究，我们利用该基金的支持还探索了金属氧化物半导体材料在光催化领域的基础研究工作，并取得了部分阶段性成果。