Óxido de zinco dopado com Na automontado para a detecção de VOCs biomarcadores de câncer de pulmão em baixas concentrações
Curvas de resposta de sensores de ZnO e NaZnO1 semelhantes a ouriços a 5 ppm de HCHO a 225°C, 50% de umidade relativa. Crédito:Journal of Advanced Ceramics, Tsinghua University Press O desenvolvimento de sensores de gás de alto desempenho para a detecção de marcadores de cancro do pulmão em baixas concentrações é um passo crucial para alcançar a monitorização precoce do cancro do pulmão através de testes respiratórios. Os semicondutores de óxido metálico (MOS) são sensíveis há muito tempo a compostos orgânicos voláteis (VOCs), demonstrando excelentes características de desempenho.
No entanto, a concentração de VOCs característicos para detecção de câncer de pulmão com base em testes respiratórios (como formaldeído, isopropanol, acetona e amônia) é normalmente inferior a 1 ppm. A maioria dos óxidos metálicos tem dificuldade em responder a concentrações tão baixas, o que pode ter impacto no diagnóstico precoce do cancro do pulmão.
Sensores de gás baseados em semicondutores de óxido metálico (MOS) têm se mostrado promissores na detecção de VOCs, mas sua eficácia em concentrações muito baixas continua sendo um desafio. A concentração de VOCs biomarcadores de câncer de pulmão (como formaldeído, isopropanol, acetona e amônia) em amostras de ar expirado costuma ser inferior a 1 ppm, tornando difícil para a maioria dos óxidos metálicos gerar uma resposta alta. Superar esta limitação é essencial para melhorar o diagnóstico precoce do câncer de pulmão.
Para enfrentar os desafios mencionados acima, uma equipe de cientistas de materiais liderada pelo professor Chao Zhang, do Instituto de Engenharia de Superfícies da Universidade de Yangzhou, China, delineou recentemente o desenvolvimento de nanoagulhas de ZnO dopadas com íons de metais alcalinos, especificamente dopadas com sódio (Na). íons, auxiliados por ácido cítrico. Esta abordagem visa melhorar o desempenho de sensores eletroquímicos de gases baseados em óxido metálico, permitindo alta capacidade de resposta para detecção de VOCs em baixas concentrações.
A equipe publicou seu estudo no Journal of Advanced Ceramics .
"A dopagem com íons metálicos é efetivamente usada para melhorar o desempenho de detecção do ZnO. Especialmente, o ZnO é altamente sensível a elementos de metais alcalinos e exibe boa estabilidade de dopagem, o que tornará mais fácil a dopagem dos íons na rede do ZnO, levando ao formação de mais vagas de oxigênio", disse Chao Zhang, autor sênior do estudo.
"Além disso, a solubilidade dos metais alcalinos na rede do ZnO está intimamente relacionada ao raio dos íons dopantes, e uma baixa concentração de dopagem dificultará a geração do nível de energia do aceitador. Os íons Na têm um raio maior do que os íons Zn e mostram alta solubilidade. É favorável melhorar a concentração estável de dopagem de Na, levando à formação do nível de aceitador raso", acrescentou Zhang.
Os pesquisadores usaram um método solvotérmico para fabricar nanoagulhas tridimensionais de ZnO dopado com Na com diferentes quantidades de ácido cítrico. A equipe avaliou as propriedades de detecção de gás do ZnO dopado com Na para biomarcadores de câncer de pulmão em concentrações abaixo de ppm, o método de preparação foi otimizado e a proporção ideal de ácido cítrico e íon Na foi obtida.
O experimental mostrou que o sensor de gás ZnO dopado com Na exibiu uma alta sensibilidade (~ 21,3@5ppm/50% UR) aos VOCs biomarcadores de câncer de pulmão em baixas concentrações, que é 7 vezes maior que a do ZnO puro. Além disso, o sensor de gás resultante exibiu excelente seletividade para formaldeído, boa resistência à umidade e repetibilidade confiável a uma temperatura ideal de 225°C.
Além disso, os pesquisadores explicaram o mecanismo de melhoria do desempenho sensível ao gás. os íons Na substituíram os centros de íons Zn para produzir mais vagas de oxigênio, o que aumentou a concentração de defeitos de oxigênio (Ov =20,98%), e os locais de adsorção do gás alvo foram aumentados.
Além disso, o Na foi introduzido como um nível de energia de impureza para se tornar o nível de energia aceitador próximo ao topo da banda de valência, que estava em contato com a banda de valência do ZnO puro. Isso reduziu a largura do bandgap e estimulou ainda mais os saltos de elétrons, melhorando assim o desempenho sensível ao gás.
