用于糖尿病人呼出气丙酮探测的气敏传感器

发布时间：2017-12-11 12:12

  本文关键词：用于糖尿病人呼出气丙酮探测的气敏传感器

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【摘要】：近年来研究发现,可以通过呼出气中的特定有机挥发物质(VOCs)来检测某些疾病。相较于血液检测和内窥镜等方式,这一手段具有无痛、便捷、迅速、经济等优势,因而引起广泛关注。其中呼出气中的丙酮被公认为是糖尿病的标志物,目前已有多种气体分析技术应用于呼出气丙酮的探测,包括:气相色谱-质谱联用法(GC-MS)、离子迁移谱法(IMS)、选择离子流动管质谱技术(SIFT-MS)和质子转移-质谱法(PTR-MS)。然而这些方法都成本很高、体积较大、操作复杂,并不适用于制作为便携的丙酮探测器。半导体气敏电阻传感器由于其体积小、稳定性高、便于操作、造价低等优势,成为比较合适的呼出气丙酮探测手段。目前已有大量基于ZnO、SnO2、CeO2、WO3、Fe2O3、In2O3、TiO2等氧化物半导体的气敏传感器被相继报道。丙酮在呼吸气里的含量很低,大概在ppm数量级。为了探测如此低浓度的丙酮并通过其含量区分健康人和糖尿病人,就需要高灵敏度和高选择性的丙酮探测器来实现。再提高材料灵敏度方面,研究者做了很多努力,在不考虑湿度的情况下,能探测到0.2ppm的低含量丙酮。然而在提高材料灵敏度上做努力的同时,还应考虑传感器实际应用的环境,比如呼出气体的高湿度特性。研究者们检测了高湿度环境下的丙酮气敏性能,发现部分半导体气敏传感器依然能够探测出20ppb的超低含量丙酮。但是不同于GC-MS、SIFT-MS等检测方法可以对某一特定气体进行检测,半导体电阻型气敏传感器只能对呼出气中的所有气体进行综合响应。要想通过呼出气中的丙酮含量掌握糖尿病人的病情,呼出气中的其他干扰气体必须被排除。除此之外,必须开展相应临床试验,探究电阻气敏传感器在实际应用中是否具有分辨健康人和糖尿病人以及判断病情能力。本论文的主要研究结果如下:1、0-10mol.%Sm2O3-SnO2掺杂纳米晶传感器对丙酮表现出明显的气敏灵敏性,Sm203掺杂摩尔比为5%的纳米传感器对丙酮表现出最大响应,在20%RH湿度下,5mol.%Sm2O3-SnO2对0.5ppm丙酮的响应达到了 4.16(传感器工作温度为240摄氏度)。考虑呼出气中的湿度较大,分别研究了5 5mol.%Sm2O3-SnO2传感器在20%RH、35%RH、80%RH不同湿度下对丙酮的响应。实验结果表明,随湿度增大,气敏元件的灵敏度会降低。考虑到呼出气中含有较高浓度的二氧化碳,所以本文同时研究了5mol.%Sm2O3-SnO2传感器对CO2气体的响应特性,结果表明呼出气中的CO2对探测丙酮的影响不能忽视,为排除CO2对探测丙酮的干扰,在本文章中对CO2和丙酮的混合气体进行了气敏响应测试。在呼出气试验中,通过GC-MS技术探测了 7个糖尿病人和1个健康人呼出气中的实际丙酮含量,并将实验结果与5mol.%Sm2O3-SnO2气敏传感器结果进行了对比分析。2、通过溶胶-凝胶和共沉淀法制备了不同掺杂比的Re2O3-SnO2(Re=Gd、Pr)纳米粉体材料,并制成气敏元件。丙酮气敏测试结果表明,在600℃下退火的5mol.%Re2O3-SnO2厚膜传感器在240℃的工作温度时对丙酮表现出最佳的气敏性能,其中5mol.%Gd2O3-SnO2传感器对丙酮的气敏响应优于5mol.%Pr2O3-SnO2传感器,且恢复时间更短,重复利用性好。5mol.%Pr2O3-SnO2传感器却对CO2气体表现出较好的气敏性能,我们对其小含量CO2气体的气敏性能进行了测试。由于5mol.%Pr2O3-SnO2传感器对CO2有较好的气敏性能,使得CO2对其检测呼出气丙酮的过程干扰较大,因此我们认为5mol.%Gd2O3-SnO2传感器更适合用于呼吸丙酮的检测,而5mol.%Pr2O3-SnO2传感器可以用作CO2的探测。3、通过溶胶-凝胶制备了 HoFeO3和Pd、碳纳米管(烧结前)掺杂的HoFeO3纳米粉体材料。与纯HoFeO3气敏元件相比,所有掺杂材料对丙酮的性能均有提高,其中掺杂质量比为1%CN(碳纳米管)-HoFeO3材料在180℃工作温度时表现出对丙酮的最佳气敏响应。1 wt.%CN-HoFeO3传感器的湿敏特性与纯HoFeO3不同,且恢复响应时间比纯HoFeO3气敏元件明显缩短,表明该材料能更快地对待测气体做出反应,而且重复性好。另外,1wt.%CN-HoFeO3掺杂传感器对丙酮分辨能力更强,表明该掺杂传感器比纯HoFeO3传感器更适合用作检测呼出气中的丙酮。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R587.1;TP212

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本文编号：1278409