Wetenschap
Zelf-geassembleerd Na-gedoteerd zinkoxide voor de detectie van biomarker VOS voor longkanker in lage concentraties
Het ontwikkelen van hoogwaardige gassensoren voor de detectie van longkankermarkers bij lage concentraties is een cruciale stap in de richting van vroegtijdige monitoring van longkanker door middel van ademtests. Metaaloxidehalfgeleiders (MOS) zijn al lange tijd gevoelig voor vluchtige organische stoffen (VOS), wat uitstekende prestatiekenmerken laat zien.
De concentratie van karakteristieke VOS voor de detectie van longkanker op basis van ademtests (zoals formaldehyde, isopropanol, aceton en ammoniak) is echter doorgaans minder dan 1 ppm. De meeste metaaloxiden hebben moeite om te reageren bij zulke lage concentraties, wat van invloed kan zijn op de vroege diagnose van longkanker.
Gassensoren op basis van metaaloxidehalfgeleiders (MOS) zijn veelbelovend gebleken bij het detecteren van VOS, maar hun effectiviteit bij zeer lage concentraties blijft een uitdaging. De concentratie van biomarker-VOC's voor longkanker (zoals formaldehyde, isopropanol, aceton en ammoniak) in ademmonsters ligt vaak onder de 1 ppm, waardoor het voor de meeste metaaloxiden moeilijk is om een hoge respons te genereren. Het overwinnen van deze beperking is essentieel voor het verbeteren van de vroege diagnose van longkanker.
Om de bovengenoemde uitdagingen aan te pakken, heeft een team van materiaalwetenschappers onder leiding van professor Chao Zhang van het Institute of Surface Engineering aan de Yangzhou Universiteit, China, onlangs de ontwikkeling geschetst van met alkalimetaalionen gedoteerde ZnO-nanonaalden, specifiek gedoteerd met natrium (Na). ionen, bijgestaan door citroenzuur. Deze aanpak heeft tot doel de prestaties van op metaaloxide gebaseerde elektrochemische gassensoren te verbeteren, waardoor een hoge responstijd voor het detecteren van VOC's bij lage concentraties mogelijk wordt.
Het team publiceerde hun onderzoek in het Journal of Advanced Ceramics .
"Doping met metaalionen wordt effectief gebruikt om de detectieprestaties van ZnO te verbeteren. In het bijzonder is ZnO zeer gevoelig voor alkalimetaalelementen en vertoont het een goede dopingstabiliteit, waardoor het gemakkelijker wordt voor ionen om in het rooster van ZnO te worden gedoteerd, wat leidt tot de vorming van meer zuurstofvacatures”, zegt Chao Zhang, senior auteur van het onderzoek.
"Bovendien hangt de oplosbaarheid van alkalimetalen in het ZnO-rooster nauw samen met de straal van de doteringionen, en een lage doteringsconcentratie zal het moeilijk maken om het acceptor-energieniveau te genereren. Na-ionen hebben een grotere straal dan Zn-ionen en een hoge oplosbaarheid vertonen. Het is gunstig om de stabiele concentratie van Na-dotering te verbeteren, wat leidt tot de vorming van het ondiepe acceptorniveau," voegde Zhang eraan toe.
De onderzoekers gebruikten een solvothermische methode om driedimensionale nanonaalden van Na-gedoteerd ZnO te fabriceren met verschillende hoeveelheden citroenzuur. Het team evalueerde de gasdetectie-eigenschappen van Na-gedoteerde ZnO voor biomarkers voor longkanker bij concentraties van minder dan ppm, de bereidingsmethode werd geoptimaliseerd en de optimale verhouding van citroenzuur en Na-ion werd verkregen.
Uit het experiment bleek dat de Na-gedoteerde ZnO-gassensor bij lage concentraties een hoge gevoeligheid vertoonde (~ 21,3 bij 5 ppm/50% RH) voor biomarker-VOC's van longkanker, wat zeven keer hoger is dan die van puur ZnO. Bovendien vertoonde de resulterende gassensor uitstekende selectiviteit voor formaldehyde, goede vochtbestendigheid en betrouwbare herhaalbaarheid bij een optimale temperatuur van 225° C.
Daarnaast legden de onderzoekers het mechanisme van de verbeterde gasgevoelige prestaties uit. de Na-ionen vervingen de Zn-ioncentra om meer zuurstofvacatures te produceren, waardoor de concentratie van zuurstofdefecten toenam (Ov =20,98%), en de beoogde gasadsorptieplaatsen zijn vergroot.
Bovendien werd Na geïntroduceerd als een onzuiverheidsenergieniveau om het acceptorenergieniveau te worden dichtbij de top van de valentieband, die in contact stond met de valentieband van het zuivere ZnO. Dit verkleinde de breedte van de bandafstand en stimuleerde de elektronensprongen verder, waardoor de gasgevoelige prestaties verbeterden.