MOF纳米花基柔性便携式NO传感器：呼吸道炎症检测的新突破

引言

呼出气中的气体成分与多种呼吸道疾病密切相关，尤其是氮氧化物（NO）的浓度变化被认为是哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）等疾病的重要指标。传统的化学电阻式气体传感器在高温下工作，检测限高且选择性差，限制了其在呼出气监测中的应用。近年来，金属-有机框架（MOF）材料因其优异的选择性和吸附能力而受到广泛关注，但其固有的绝缘特性限制了其在气体传感中的实际应用。因此，开发一种灵敏、选择性高且能够在室温下工作的NO传感器具有重要意义。

正文

一、研究背景与意义

呼出气中的NO浓度与呼吸道炎症密切相关，其检测对于疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。传统的气体传感器如金属氧化物半导体（MOS）和碳基半导体通常需要在高温下工作，且检测限高、选择性差，难以满足呼出气监测的需求。MOF材料因其大比表面积、可调孔径和丰富的功能位点而成为NO检测的理想材料，但其低电导率限制了其在气体传感中的应用。因此，开发一种基于MOF的NO传感器，能够在室温下实现对NO的高灵敏度和高选择性检测，对于呼吸道疾病的诊断和管理具有重要意义。

二、Ni, Co-MOF-74-CNT纳米花的制备与特性

本研究通过一步合成法成功制备了Ni, Co-MOF-74-碳纳米管（CNT）异质结构纳米花。该复合材料通过物理沉积与聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜集成，展现出对NO的高选择性。Ni, Co-MOF-74-CNT纳米花的制备过程中，CNT作为模板，促进了MOF-74的生长，形成了具有高比表面积和丰富活性位点的纳米花结构。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对Ni, Co-MOF-74-CNT的形貌、结构和组成进行了详细表征。结果显示，Ni, Co-MOF-74-CNT具有良好的晶体结构和均匀的元素分布。

三、NO传感器的构建与性能

将Ni, Co-MOF-74-CNT纳米花与PAN纳米纤维膜集成，构建了柔性气体传感器。该传感器在室温下对NO展现出优异的检测性能，线性响应范围为30-1000 ppb，检测限为18.6 ppb。传感器的响应和恢复时间分别为39秒和70秒，表现出良好的灵敏度和稳定性。此外，该传感器还具有优异的选择性，能够在多种干扰气体存在的情况下准确检测NO。通过对比不同材料对NO的响应，发现Ni, Co-MOF-74-CNT纳米花的双金属活性位点和高比表面积是其优异检测性能的关键因素。

四、NO传感器的检测机制

Ni, Co-MOF-74-CNT传感器的NO检测机制主要涉及NO与双金属位点的相互作用。在室温下，NO分子首先被吸附在Ni, Co-MOF-74-CNT的表面，与双金属位点形成化学键，导致电子从NO转移到金属位点，从而改变材料的电导率。此外，吸附的NO分子与表面吸附的氧气反应生成NO₂，进一步增加了材料表面的电荷积累，导致传感器电阻的降低。通过XPS等技术验证了NO与Ni, Co-MOF-74-CNT之间的相互作用，证实了其检测机制。

五、实际样品检测与便携式设备开发

为了验证传感器的实际应用潜力，研究人员将其应用于健康个体和呼吸道疾病患者的呼出气检测。实验结果表明，该传感器能够准确检测呼出气中的NO浓度，与医院标准设备的检测结果具有良好的一致性。此外，研究人员还开发了一种便携式NO检测设备，集成了Ni, Co-MOF-74-CNT-PAN传感器、微控制器单元（MCU）和蓝牙模块，实现了对NO的实时检测。该便携式设备的设计合理，操作简便，能够在家庭环境中实现对呼吸道炎症的实时监测。

结论

本研究成功开发了一种基于Ni, Co-MOF-74-CNT纳米花的柔性NO传感器，能够在室温下实现对NO的高灵敏度和高选择性检测。该传感器的优异性能主要归功于Ni, Co-MOF-74-CNT的双金属活性位点和高比表面积，以及PAN纳米纤维膜的透气性。此外，该传感器在实际样品检测中表现出良好的准确性和一致性，并成功应用于便携式NO检测设备的开发，为呼吸道疾病的诊断和管理提供了新的工具，具有广阔的应用前景。

图1. (A) M-MOF-74-CNT的合成步骤； (B) SEM 图像：Ni-MOF-74； (C) Co-MOF-74； (D) Ni_0.48Co_0.52-MOF-74； (E) Ni_0.48Co_0.52-MOF-74-CNT； (F) PAN纳米纤维； (G) Ni_0.48Co_0.52-MOF-74-CNT-PAN 横截面

图2. (A) CNT、Ni-MOF-74、Co-MOF-74、Ni、Co-MOF-74和Ni、Co-MOF-74-CNT的XRD图案；(B) PAN、Ni-MOF-74、Co-MOF-74、Ni、Co-MOF-74、Ni、Co-MOF-74-CNT和Ni、Co-MOF-74-CNT-PAN的FTIR光谱。(C) CNT、PAN、Ni、Co-MOF-74-CNT和Ni、Co-MOF-74-CNT-PAN的拉曼光谱。(D) Ni、Co-MOF-74和Ni、Co-MOF-74-CNT粉末的N₂吸附−解吸等温线和(E)孔径分布。(F) Ni、Co-MOF-74-CNT的EDS光谱和(G)元素映射

图3. (A). Ni、Co-MOF-74-CNT感应NO的示意图。(B) Ni、Co-MOF-74-CNT感应NO的能带图

图4. 传感器对真实人类呼出气体的分析

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156184