吉林大学：研讨一种用于无创糖尿病确诊的超活络丙酮气体传感器
导言。
糖尿病作为一种缓慢代谢性疾病，其前期精确确诊关于防备和办理并发症至关重要。近年来，依据呼气中挥发性有机化合物（VOCs）。检测。进行非侵入性确诊的办法引起了广泛重视。丙酮是糖尿病的重要生物标志物之一，其在糖尿病患者的呼气中浓度明显高于健康人，因而，丙酮可作为前期糖尿病检测的潜在标志物。因为。电阻。式气体。传感器。具有成本低、便携性强、操作简洁等优势，广泛应用于丙酮检测。但是，与。工业。气体监测不同，人体呼气中丙酮浓度较低、湿度较高，且气体成分杂乱，这些要素都添加了精确检测的难度。因而，亟需开发具有高灵敏度、选择性和耐湿性的丙酮气体传感器。现在，金属氧化物如In₂O₃、SnO₂、Co₃O₄等被广泛用于丙酮检测，但单一氧化物一般面对检测限高、选择性差和抗湿性差等问题。
吉林大学李国栋教授团队提出了一种改善传感功能的办法，选用钾和锡的双元素掺杂，取得了比纯Co₃O₄传感器更优的丙酮检测功能，并经过密度泛函理论（DFT）核算证明了该办法对丙酮吸附功能的增强效果，而且评论了双元素各自关于进步资料传感功能的效果。
图文解析。
图1. 展现了K/Sn双掺杂的Co₃O₄和未掺杂的Co₃O₄的结构表征。
a. XRD精修图谱：展现了K/Sn-Co₃O₄的XRD精修图谱，阐明低含量的K、Sn掺杂并未导致产品中构成新的相。
b. XPS（X。光电。子能谱）图画：展现了K/Sn-Co₃O₄与Co₃O₄的XPS全谱比照图，证明了Sn的存在而且方式为Sn4+。
c. 拉曼光谱：K/Sn-Co₃O₄和Co₃O₄的拉曼光谱图显现了两者类似的拉曼带， K和Sn原子的共掺入导致拉曼光谱全体蓝移，A1g振荡峰削弱，标明在K和Sn原子的一起影响下，Co3O4晶格的无序性添加。
d. 扫描。电子。显微镜（SEM）图画：展现了K/Sn-Co₃O₄的微观描摹。
e-f. 透射电子显微镜（。TE。M）图画：展现了K/Sn-Co₃O₄的TEM图画和高分辨率TEM（HRTEM）图画，显现了K/Sn-Co₃O₄的纳米结构。
g-j. 元素分布图：经过TEM取得的K/Sn-Co₃O₄的元素分布图，证明了Co、O、Sn和K元素在资猜中的均匀分布。
图2. 展现了K/Sn双掺杂的Co₃O₄和未掺杂的Co₃O₄关于丙酮气体的传感功能。
a. 工作温度对不同掺杂样品呼应值的影响：展现了K/Sn双掺杂的Co₃O₄与单元素掺杂以及纯Co₃O₄的传感器在不同工作温度下对100ppm丙酮呼应值的影响。
b. 动态呼应-康复曲线：K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器在110℃下对0.1 ppm—150 ppm丙酮的动态呼应-康复曲线。能够看到，传感器的呼应跟着丙酮浓度的添加而进步，而且检测限达到了0.1 ppm。
c. 非线性相关性：依据动态呼应康复曲线所拟合出的呼应值与丙酮浓度之间的非线性渐进联络，标明跟着气体浓度的升高，传感器呼应值的上升呈现出先快速后平稳的趋势，而且表现出了K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器关于纯Co₃O₄的优势。
d. 重复性测验：K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器在屡次动态呼应测验中的重复性。成果标明，K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器具有杰出的重复性。
e. 选择性测验：展现了K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器对其他搅扰性气体（甲醇，甲醛，硝基苯，苯，氨和二氧化碳）的选择性，成果标明，K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器对丙酮的呼应远高于这些搅扰气体。
f.。 模仿。呼出气测验：进行了多轮模仿人体呼出气的测验，成果标明，K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器具有区别健康人群和糖尿病患者呼出气之间浓度不同的才能。
图3. 对不同掺杂样品的XPS O1s的表征，O2-TPD测验，以及开尔文探针测验。
a-d. 不同掺杂样品的XPS O1s表征：别离对a. K/Sn双掺杂的Co₃O₄，b. K元素单掺杂。c. Sn元素单掺杂以及d. 纯Co₃O₄的O1s进行了分峰处理，能够发现其化学吸附氧（Oc）的含量都经由掺杂得到了进步，而K/Sn双掺杂的Co₃O₄进步起伏最为明显。
e. O2-TPD测验：对纯Co₃O₄与K/Sn双掺杂的Co₃O₄进行了O2-TPD测验，经过比照，证明了化学吸附氧含量的提高，是导致K/Sn双掺杂的Co₃O₄传感器对丙酮呼应提高的主要原因。
f. 经过开尔文探针进行的功函数表征：K/Sn双掺杂的Co₃O₄的化学吸附氧含量提高最主要的原因可能是掺杂后导致的费米能级的提高。
图4. 展现了经过密度泛函理论（DFT）核算对K/Sn双掺杂的Co₃O₄电子结构的结构模型：别离展现了K/Sn双掺杂的Co₃O₄，K元素和Sn元素单掺杂以及纯Co₃O₄的丙酮吸附结构模型，其间赤色、蓝色、紫色和灰白色原子别离代表氧、钴（Co）钾（K）和锡（Sn）。
a-b. 掺杂前与掺杂后示意图：K与Sn原子在掺杂过程中替代了原方位上的Co原子。
c-f. 不同吸附构型关于丙酮的吸附：c.纯Co₃O₄，d.Sn元素单掺杂的Co₃O₄与e. K元素单掺杂的Co₃O₄以及f. K/Sn双掺杂的Co₃O₄，经过别离核算不同吸附构型，并终究比较得出丙酮在K/Sn双掺杂的Co₃O₄上吸附最强，这与试验成果相吻合。
来历：柔性传感及器材。
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