基于高性能抗湿气体传感器的人体呼出气体检测研究

作     者：黄敏旋 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王英辉;王丽伟

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：人体呼出气体 金属氧化物半导体 气体传感器 抗湿性 选择性 快速检测 

摘      要：人体呼出气体主要由200多种有机及无机分子组成,蕴含着丰富的与人体新陈代谢密切相关的信息。然而,呼出气中还存在相对湿度为65-88%的水分子气体。这给各种传统的呼出气体分析设备(如气相色谱仪)的选择性以及精密性带来巨大的挑战:数百种干扰气体和高浓度水分子会屏蔽目标分子信号,难以实现高选择、实时的疾病诊断。基于此,新兴的金属氧化物半导体基传感器以检测快、体积小、重量轻、耐用为特点,为便携式健康监测提供了一个极具吸引力的解决方案。但是目前该类传感器仍存在一些问题,如检测限高、在高湿环境下对呼出气体的选择性和稳定性有待加强。因此,本论文面向疾病呼吸气体主要成分的检测,从复合气敏材料的设计、合成以及传感器件的制备等方面入手,系统研究了其对呼出气体中挥发性有机化合物的敏感性能,并对材料的抗湿性能进行优化和提升。这对于解决人体疾病的实时检测及健康预警问题具有重要的理论意义。本论文主要研究内容如下:(1)利用溶剂热-水浴的原位转化法,制备由2D纳米片Zn InS负载的n-n型Zn InS@InO纳米球异质结构气敏材料。研究发现,Zn InS的添加量对Zn InS@InO纳米球的形貌和微观结构有很大影响。气敏性能测试表明,Zn InS@InO-1.0传感器对乙醇表现出了良好的选择性、较高的响应值(对100 ppm乙醇响应值为58)、一定的抗湿性能(60%R.H.下灵敏度为8)和良好的长期稳定性。这为人体呼出气体监测中的抗湿型传感器的开发奠定了技术基础。(2)通过气相沉积法,制备了有机-无机复合结构的N-C@Sn O-CoO中空纳米盒气敏材料。有机包覆层的引入可以构造丰富的氧空位缺陷,并且由于其特殊结构可以对目标分子丙酮优先吸附,从而对水分子起到一定的屏蔽作用。经过气敏测试结果得出,N-C@Sn O-CoO传感器对丙酮具有较高的选择性,在最佳工作温度为160C时对50 ppm丙酮的灵敏度为9。并且在相对湿度为90%时,N-C@Sn O-CoO传感器对50 ppm丙酮的灵敏度仍然保持在14,表现出优良的抗湿性。这为丙酮气体传感器在人体呼出气体的检测应用方面提供了一个重要的策略。(3)在前期的气相沉积技术基础上,采用化学修饰得到了表面改性的C@Sn O-Co O纳米盒气敏材料。所得C@Sn O-Co O纳米盒的酒精气敏性能得到了全面改善,尤其是在灵敏度及抗湿性方面有着较大的提高,在50-90%R.H.下对100 ppm乙醇的灵敏度保持在58。同时,C@Sn O-Co O传感器在模拟呼出气体的湿度水平(65-88%R.H.)中表现出良好的可重复性。并且能在连续5个传感周期中快速测量低浓度酒精气体。碳包覆层能有效筛选了目标气体分子,且响应信号仍不下降。基于上述结果,C@Sn O-Co O材料有望成为制备抗湿性酒精传感器的候选材料。