基于一维多孔结构氧化物半导体的糖尿病呼气检测气体传感器阵列的研究

Oriented to detect the diabetes biomarkers-acetone, the gas sensors array based on semiconductor oxides will be developed, which with high sensitivity, good selectivity, well moisture resistance, and low power consumption. By combine the technologies of nano-materials synthesis, doping modification methods, building intelligent humidity compensation, producing of gas sensors. Through synthesizing pores one-dimensional nano-structure, designing micro and nano interdigitated detecting electrodes, and doping modification, the response and selectivity of sensor to acetone will be enhanced. Through doping hygroscopic impurities, modifying surface by hydrophobic groups, and humidity convection by artificial neural network methods, the ability of moisture resistance will be enhanced. Through producing plane type gas sensors and adjusting the structure of heating electrodes, the power consumption will be reduced. By these ways, the gas sensors array which be used for detecting the diabetes biomarkers-acetone will be developed. And the implementation of this project will not only help to construct practical sensors for exhale diabetes testing equipment, but also provide new solutions for improvement performance of sensor based on semiconductor oxide.

面向糖尿病呼气标志物-丙酮的检测，研制基于氧化物半导体材料的灵敏度高、选择性好、抗湿能力强且低功耗的丙酮气体传感器阵列。融合纳米材料的制备、掺杂改性、智能湿度补偿和传感器的制造等技术。通过合成一维多孔纳米结构、制备微纳测试电极和掺杂改性的三级增感策略，提升了传感器的灵敏度和选择性；通过向传感材料掺入抗湿剂、疏水集团表面处理和利用人工神经网络法实现智能化湿度补偿的三级抗湿策略，提高传感器的抗湿能力；通过制作平面式传感器和调节加热电极结构的二级降耗策略，降低了传感器的功耗，从而构筑可用于糖尿病呼气标志物检测的丙酮气体传感器阵列。本课题的实施不仅为制造小型化的糖尿病呼气检测设备提供关键器件，而且为改进氧化物半导体气体传感器的性能提供新的解决方法。

利用半导体氧化物气体传感器代替现有的大型分析仪器对糖尿病患者实行宅内呼气检测和实时监测，是糖尿病防治的迫切需求。而现有的半导体氧化物气体传感器的灵敏度、选择性和抗湿能力和功耗还不能满足实际需求，因此需要通过传感材料的设计和制备，器件结构的设计和优化来实现。本项目设计和构建新型高性能气敏纳米材料，通过掺杂改性，贵金属掺杂、修饰，MOFs材料造孔，提升材料的气体敏感性能。本课题组通过化学方法制备一维半导体氧化物复合材料，探究基于上述复合材料的一维结构组成与气敏性能的关系，明晰金属氧化物半导体气体传感器的物理和化学机制，研制出灵敏度高、响应速度快、选择性好的半导体材料，进而实现高性能、抗湿能力强和低功耗的新型丙酮气体传感器阵列的构筑。项目的实施过程中，确实也是按照构筑灵敏度高、选择性好、抗湿能力强且低功耗的丙酮气体传感器阵列的指导思想和最终目标努力的。课题组分别通过对气敏材料的微观结构，单一半导体氧化物（NiO、WO3），复合一维半导体氧化物材料的合成（Al-NiO复合纳米材料、Cr-NiO复合纳米材料、Pt-Cr2O3-WO3复合纳米材料等）。成功制备出系列一维纳米材料，并将上述材料分别制作了气体传感器，取得可观成果，相关成果均已发表。通过本项目的支持，共发表SCI论文10篇（预期发表SCI、EI论文5篇）；申请专利2项，已授权1项（预期申请2项）；协助培养硕士研究生5人，博士研究生1人，以上均达到预期指标。