基于肖特基型气敏传感器实现痕量二氧化氮的分子特异性传感
人体呼出气体含痕量疾病标志物，相应气体分子检测技术有利于实现高效的疾病诊断。值得注意的是，疾病标志物分子具有高化学活性，检测技术应具备快速响应的特性。相较于传统的气体检测技术，诸如色谱-质谱联用方法和吸光光谱技术，气敏传感器具有明显优势，包括对目标气体快速响应和可集成化等优点。针对疾病标志物气体分子的检测，气敏传感器体现出优异的潜力，相关研究的主要发展方向是高特异性的传感机制的提出，旨在输出痕量的气体种类特征信息，用以判断种类各异的痕量疾病标志物分子。
最近，我院许适溥副教授与北京大学彭海琳教授课题组和华南师范大学孙丰强教授课题组共同在Nature Communications上发表题为“Molecularly specific detection towards trace nitrogen dioxide by utilizing Schottky-junction-based Gas Sensor”的研究论文。该研究针对痕量气体分子特异性传感，提出基于表面散射的高特异性传感机制：各类目标气体分子体现不同极性，并在发生表面吸附后发生分子极性变化，形成表面散射，并导致吸附质迁移率变化。为提取具有分子特异性的迁移率变化，该研究选择二维Bi2O2Se构筑肖特基型气敏传感器，并在痕量气体传感中，对传感器施加交流激励信号，同步输出多类传感信号，包括电阻、电抗、及阻抗角；其中，时域的阻抗角信号变化较明显地受制于Bi2O2Se的迁移率变化；进而，该研究对包括阻抗角等各种传感信号进行响应度及对应气体浓度的线性拟合，获得各类目标分子的线性拟合参数矩阵；基于这一参数矩阵，该研究运用主成分分析，输出目标分子种类特征信息，证明了基于表面散射的高特异性传感机制的可行性。值得注意的是，该研究实现了对ppt痕量NO2及其混气的分子特异性传感，这为哮喘病患者呼出气的疾病标志物高效检测提供了重要的借鉴。
图1：Bi2O2Se及其吸附活性位点表征
a 生长在钛酸锶衬底的Bi2O2Se高角度环形暗场扫描透射电子显微镜截面图（比例尺：1纳米）。b 高角度环形暗场扫描透射电子显微镜截面图的元素分布图（比例尺：1纳米）。c和d Bi2O2Se的原子力显微镜图（c,比例尺：2微米；d 比例尺：400纳米）。e 新鲜解理的Bi2O2Se扫描隧道显微镜图（比例尺：5纳米）。f 表面有吸附分子的Bi2O2Se扫描隧道显微镜图（比例尺：1纳米）。
图2：吸附诱导的肖特基势垒变化
a Bi2O2Se传感器光学照片（比例尺：12微米）。b和c Bi2O2Se传感器的原子力显微镜图和开尔文探针力显微镜图（比例尺：3微米）。d-f 真空环境下的Bi2O2Se的结区能带图及其变温I-V图，以及结区势垒拟合。g-i 二氧化氮氛围下的Bi2O2Se的结区能带图及其变温I-V图，以及结区势垒拟合。j Bi2O2Se变温电阻图。k Bi2O2Se的变温迁移率图。l Bi2O2Se去离子化能拟合图。
图3：多传感信号的同步输出
a 多传感信号同步输出原理图。b Bi2O2Se传感器的变频电阻与阻抗图。c和d 针对甲醇和甲醛气体传感的多种类传感信号时域响应图。
图4：不同种类气体的传感响应
a 针对单一目标气体的多传感信号响应图。b针对混合气体的多传感信号响应图。
图5：气体分子特征信号分析
a 多传感信号的主成分分析。b 基于电阻传感信号的主成分分析。
图片来自：
S. P. Xu,# , * X. Zhou,# S. Xu,# Y. Zhang, Y. Shi, X. Cong, Q. Xu, Y. Tian, Y. Jiang, H. Guo, J. Zhao, F. Sun,* H. Peng.* Molecularly Specific Detection towards Trace Nitrogen Dioxide by Utilizing Schottky-junction-based Gas Sensor. Nat. Commun. 2024, 15, 5991.
(* Corresponding author, # Co-First author)
