【宁夏大学新闻中心讯 物理学院】近日，我校物理学院程亮、王婷婷老师带领科研团队，在高湿呼气环境下丙酮传感研究方面取得重要研究成果，相关成果以“Metal–Organic Framework Induced Prenucleation to Construct Solid Solution Semiconductor Metal Oxides With Synergistic Enhancement of Moisture Resistance and Gas Response”为题，发表于传感器领域国际顶级期刊《ACS Sensors》（中科院化学大类1区TOP期刊，IF=10.9），宁夏大学为论文第一完成单位与通讯单位。
呼吸标志物检测是实现疾病无创快速筛查的重要技术路径，丙酮作为糖尿病重要呼气生物标志物，对实现糖尿病无创筛查具备很高应用价值。人体呼出气体相对湿度可达80%以上，高湿环境下水分子极易占据敏感材料表面活性位点，造成传感器信号漂移、响应衰减，严重制约金属氧化物气体传感器在呼出气实际检测场景中的应用，如何同步实现优异气敏响应与抗湿性能，是该领域亟待破解的关键技术难题。
针对上述瓶颈，团队提出金属有机框架（MOF）转化诱导预成核策略，以MIL‑125(Ti)同时作为钛源和结构模板，通过金属离子转金属化拓扑转化，可控构筑富含氧空位、具有混合价态Fe³⁺/Fe²⁺、Ti⁴⁺/Ti³⁺的Fe₂TiO₅‑δ（FTO）固溶体半导体材料。混合价金属氧化还原对能够抑制水汽引发的表面羟基大量累积，氧空位提供丰富的气体吸附活性位点，二者协同作用，大幅提升材料抗湿度干扰能力与丙酮气敏响应性能。
研究发现，优化后的FTO‑3.49传感器可在30‑90%宽湿度区间稳定检测丙酮气体，检出限可达100ppb，可以有效区分模拟呼出气环境中ppb级别丙酮浓度变化；器件同时具备良好选择性、循环重复性与长期稳定性。结合光谱表征与密度泛函理论DFT计算，团队系统阐明缺陷‑价态协同增强抗湿和气敏性能内在机理。该研究建立了MOF结构转化、阳离子取代、缺陷化学与气敏性能之间的内在联系，为构筑高湿环境下稳定工作的金属氧化物半导体传感材料提供了新路径。研究成果可为呼气丙酮检测和无创健康监测器件研发提供材料基础。后续，团队将围绕吸附—脱附动力学、器件集成以及复杂呼气环境验证等方面开展进一步研究。
该研究得到国家自然科学基金、宁夏自然科学基金项目资助。宁夏大学物理学院硕士研究生杨婷为论文第一作者，宁夏大学物理学院程亮、王婷婷为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.6c00422
（编辑：杨雯）
