CdS/Co3O4绿光激发丙酮气体传感器的构建及其在检测糖尿病生物标志物中的应用

中国石油大学张冬至&于连栋J. Colloid Interface Sci.：CdS/Co3O4绿光激发丙酮气体传感器的构建及其在检测糖尿病生物标志物中的应用

DOI: 10.1016/j.jcis.2021.08.022

半导体的形态和结构特征对其气敏特性存在重要影响。合理设计和合成具有特殊结构的异质结可以有效提高传感器性能。在此，通过静电纺丝法结合水热法合成了氧化钴（Co3O4）纳米纤维/硫化镉（CdS）纳米球杂化物，用于检测丙酮气体。通过调节CdS的负载量，CdS/Co3O4传感器在室温（25℃）下对丙酮的传感性能得到了显著改善。尤其，CdS/Co3O4在520nm绿光下对50ppm丙酮气体的响应提高了25％，同时响应/恢复时间缩短到5s/4s。这可归因于CdS和Co3O4之间形成的异质结以及光激发对表面载流子浓度的影响。同时，独特的高孔隙率纤维结构和钴离子的催化作用也对性能的提高起着至关重要的作用。此外，还对实际糖尿病呼吸进行了实验模拟，证明了该传感器在未来疾病辅助诊断中的应用潜力。

图1.CdS/Co3O4纳米复合薄膜传感器的制备过程。

图2.丙酮传感测量系统示意图。

图3.（a）CdS/Co3O4复合材料的XRD图。（b）CdS纳米球、（c）Co3O4纳米纤维和（d）CdS/Co3O4纳米复合材料的SEM图像。

图4.（a）Co3O4和（b）CdS/Co3O4样品的TEM显微照片。（c）Co3O4和（d）CdS样品的HRTEM显微照片。

图5.CdS/Co3O4样品的XPS光谱：（a）Co2p芯能级光谱，（b）O1s芯能级光谱，（c）S2p芯能级光谱和（d）Cd3d芯能级光谱。

图6.（a）CdS/Co3O4纳米复合材料的N2吸附-解吸等温线和孔径分布（插图）。（b）CdS、Co3O4和CdS/Co3O4传感器的电流-电压曲线。

图7.（a）在5次重复实验中，Co3O4中含不同CdS负载率的样品对50ppm丙酮气体的响应。（b）测量CdS/Co3O4传感器对0.5-100ppm浓度范围内丙酮的电阻。（c）CdS/Co3O4传感器响应与丙酮浓度的函数关系。（d）CdS/Co3O4和Co3O4薄膜传感器在25℃下对50ppm丙酮气体的响应和恢复特性。

图8.（a）CdS/Co3O4传感器的重复性。（b）在5次重复实验中，CdS/Co3O4传感器在25℃下对50ppm各种气体的选择性。（c）CdS/Co3O4传感器在25℃下对10、50和100ppm丙酮气体的长期稳定性。（d）在5次重复实验中，相对湿度对CdS/Co3O4传感器在25℃下的初始电阻和丙酮传感特性的影响。

图9.（a）CdS和CdS/Co3O4样品的紫外-可见光谱。（b）通过Tacu图法得到的（αhv）2与光子能量（hv）的关系，并估算样品的有效带隙。

图10.（a）CdS/Co3O4传感器在3-4.4V电压、不同光照条件下暴露于20ppm丙酮气体的响应（60mW/cm2-90mW/cm2）。当存在或不存在绿光照明时CdS/Co3O4基传感器的（b）响应、（c）拟合曲线和（d）响应/恢复时间。

图11.Co3O4/CdS传感器的呼吸气体分析。（a）用气囊收集健康实验者的呼吸。（b）通过将2ppm丙酮注入健康人呼出的气体中来模拟糖尿病患者的呼吸。（c）传感器在模拟糖尿病患者呼吸环境中的响应曲线。（d）在5次重复实验中模拟糖尿病呼吸、2ppm丙酮和健康呼吸的响应值。

图12.（a）CdS/Co3O4异质结构在丙酮气体中的示意图。（b）CdS/Co3O4异质结的能带结构图。