开发用于检测低浓度肺癌标志物的高性能气体传感器是通过呼气测试实现早期肺癌监测的关键一步。金属氧化物半导体(MOS)长期以来对挥发性有机化合物(VOC)敏感，表现出优异的性能特征。

然而，基于呼气测试的肺癌检测特征VOC(例如甲醛、异丙醇、丙酮和氨)的浓度通常小于1ppm。大多数金属氧化物在如此低的浓度下都难以做出反应，这可能会影响肺癌的早期诊断。

基于金属氧化物半导体(MOS)的气体传感器在检测VOC方面显示出良好的前景，但其在极低浓度下的有效性仍然是一个挑战。呼吸样本中肺癌生物标志物VOC(如甲醛、异丙醇、丙酮和氨)的浓度往往低于1ppm，使得大多数金属氧化物难以产生高响应。克服这一限制对于改善早期肺癌诊断至关重要。

为了解决上述挑战，中国扬州大学表面工程研究所张超教授领导的材料科学家团队最近概述了碱金属离子掺杂的ZnO纳米针的开发，特别是钠(Na)掺杂离子，柠檬酸辅助。该方法旨在增强基于金属氧化物的电化学气体传感器的性能，从而实现低浓度VOC检测的高响应度。

“金属离子掺杂可有效提高ZnO的传感性能。特别是，ZnO对碱金属元素高度敏感，并表现出良好的掺杂稳定性，这使得离子更容易掺杂到ZnO晶格中，从而导致形成更多的氧空位，”该研究的资深作者张超说。

“此外，碱金属在ZnO晶格中的溶解度与掺杂离子的半径密切相关，低浓度的掺杂将导致难以产生受主能级。Na离子的半径比Zn离子高并表现出高溶解度，有利于提高Na掺杂的稳定浓度，从而形成浅受主能级。”

研究人员采用溶剂热法，用不同量的柠檬酸制造了Na掺杂ZnO的三维纳米针。该团队评估了Na掺杂ZnO在亚ppm浓度下对肺癌生物标志物的气敏特性，优化了制备方法，得到了柠檬酸和Na离子的最佳配比。

实验表明，Na掺杂ZnO气体传感器在低浓度下对肺癌生物标志物VOC表现出高灵敏度(~21.3@5ppm/50%RH)，比纯ZnO高7倍。此外，所得气体传感器在225℃的最佳温度下表现出优异的甲醛选择性、良好的耐湿性和可靠的重复性。

此外，研究人员还解释了气敏性能改善的机制。Na离子取代Zn离子中心产生更多的氧空位，从而增加了氧缺陷的浓度(Ov=20.98%)，目标气体吸附位点增加。

此外，Na作为杂质能级被引入，成为靠近价带顶部的受主能级，与纯ZnO的价带接触。这降低了带隙宽度，进一步激发了电子跃迁，从而提高了气敏性能。

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