引言

糖尿病作為一種慢性代謝性疾病，其早期準確診斷對于預防和管理并發癥至關重要。近年來，基于呼氣中揮發性有機化合物（VOCs）檢測進行非侵入性診斷的方法引起了廣泛關注。丙酮是糖尿病的重要生物標志物之一，其在糖尿病患者的呼氣中濃度顯著高于健康人，因此，丙酮可作為早期糖尿病檢測的潛在標志物。由于電阻式氣體傳感器具有成本低、便攜性強、操作簡便等優勢，廣泛應用于丙酮檢測。然而，與工業氣體監測不同，人體呼氣中丙酮濃度較低、濕度較高，且氣體成分復雜，這些因素都增加了準確檢測的難度。因此，亟需開發具備高靈敏度、選擇性和耐濕性的丙酮氣體傳感器。目前，金屬氧化物如In?O?、SnO?、Co?O?等被廣泛用于丙酮檢測，但單一氧化物通常面臨檢測限高、選擇性差和抗濕性差等問題。

吉林大學李國棟教授團隊提出了一種改進傳感性能的方法，采用鉀和錫的雙元素摻雜，獲得了比純Co?O?傳感器更優的丙酮檢測性能，并通過密度泛函理論（DFT）計算證明了該方法對丙酮吸附性能的增強作用，并且討論了雙元素各自對于提高材料傳感性能的作用。

圖文解析

圖1. 展示了K/Sn雙摻雜的Co?O?和未摻雜的Co?O?的結構表征。

a. XRD精修圖譜：展示了K/Sn-Co?O?的XRD精修圖譜，說明低含量的K、Sn摻雜并未導致產物中形成新的相。

b. XPS（X光電子能譜）圖像：展示了K/Sn-Co?O?與Co?O?的XPS全譜對比圖，證實了Sn的存在并且形式為Sn4+。

c. 拉曼光譜：K/Sn-Co?O?和Co?O?的拉曼光譜圖顯示了兩者相似的拉曼帶， K和Sn原子的共摻入導致拉曼光譜整體藍移，A1g振動峰減弱，表明在K和Sn原子的共同影響下，Co3O4晶格的無序性增加。

d. 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：展示了K/Sn-Co?O?的微觀形貌。

e-f. 透射電子顯微鏡（TEM）圖像：展示了K/Sn-Co?O?的TEM圖像和高分辨率TEM（HRTEM）圖像，顯示了K/Sn-Co?O?的納米結構。

g-j. 元素分布圖：通過TEM獲得的K/Sn-Co?O?的元素分布圖，證明了Co、O、Sn和K元素在材料中的均勻分布。

圖2. 展示了K/Sn雙摻雜的Co?O?和未摻雜的Co?O?對于丙酮氣體的傳感性能。

a. 工作溫度對不同摻雜樣品響應值的影響：展示了K/Sn雙摻雜的Co?O?與單元素摻雜以及純Co?O?的傳感器在不同工作溫度下對100ppm丙酮響應值的影響。

b. 動態響應-恢復曲線：K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器在110℃下對0.1 ppm—150 ppm丙酮的動態響應-恢復曲線。可以看到，傳感器的響應隨著丙酮濃度的增加而提高，并且檢測限達到了0.1 ppm。

c. 非線性相關性：根據動態響應恢復曲線所擬合出的響應值與丙酮濃度之間的非線性漸進關系，表明隨著氣體濃度的升高，傳感器響應值的上升呈現出先快速后平穩的趨勢，并且體現出了K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器對于純Co?O?的優勢。

d. 重復性測試：K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器在多次動態響應測試中的重復性。結果表明，K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器具有良好的重復性。

e. 選擇性測試：展示了K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器對其他干擾性氣體（甲醇，甲醛，硝基苯，苯，氨和二氧化碳）的選擇性，結果表明，K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器對丙酮的響應遠高于這些干擾氣體。

f. 模擬呼出氣測試：進行了多輪模擬人體呼出氣的測試，結果表明，K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器具有區分健康人群和糖尿病患者呼出氣之間濃度差別的能力。

圖3. 對不同摻雜樣品的XPS O1s的表征，O2-TPD測試，以及開爾文探針測試。

a-d. 不同摻雜樣品的XPS O1s表征：分別對a. K/Sn雙摻雜的Co?O?，b. K元素單摻雜。c. Sn元素單摻雜以及d. 純Co?O?的O1s進行了分峰處理，可以發現其化學吸附氧（Oc）的含量都經由摻雜得到了提高，而K/Sn雙摻雜的Co?O?提高幅度最為顯著。

e. O2-TPD測試：對純Co?O?與K/Sn雙摻雜的Co?O?進行了O2-TPD測試，通過對比，證明了化學吸附氧含量的提升，是導致K/Sn雙摻雜的Co?O?傳感器對丙酮響應提升的主要原因。

f. 通過開爾文探針進行的功函數表征：K/Sn雙摻雜的Co?O?的化學吸附氧含量提升最主要的原因可能是摻雜后導致的費米能級的提升。

圖4. 展示了通過密度泛函理論（DFT）計算對K/Sn雙摻雜的Co?O?電子結構的結構模型：分別展示了K/Sn雙摻雜的Co?O?，K元素和Sn元素單摻雜以及純Co?O?的丙酮吸附結構模型，其中紅色、藍色、紫色和灰白色原子分別代表氧、鈷（Co）鉀（K）和錫（Sn）。

a-b. 摻雜前與摻雜后示意圖：K與Sn原子在摻雜過程中取代了原位置上的Co原子。

c-f. 不同吸附構型對于丙酮的吸附：c.純Co?O?，d.Sn元素單摻雜的Co?O?與e. K元素單摻雜的Co?O?以及f. K/Sn雙摻雜的Co?O?，通過分別計算不同吸附構型，并最終比較得出丙酮在K/Sn雙摻雜的Co?O?上吸附最強，這與實驗結果相吻合。

來源：柔性傳感及器件

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