吉林大学 ：研究电荷转移优化LaFeO3的丙酮传感，实现超高灵敏度无创糖尿病诊断

丙酮是糖尿病等代谢异常的特征性产物。临床数据显示，健康人呼出气丙酮浓度通常低于0.9 ppm，而糖尿病患者可升高至1.8 ppm甚至更高的浓度，这一显著差异使丙酮成为理想的无创呼出气生物标志物。然而，呼出气成分复杂，高湿度环境下二氧化碳、乙醇等多种挥发性有机物共存，极易干扰丙酮的特异性识别。因此，开发兼具高灵敏度、高选择性及实时响应能力的丙酮气体传感器，对实现代谢疾病的无创筛查与动态监测具有重要的科学意义与临床应用价值。

吉林大学李国栋团队在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上发表了一项创新性研究成果。该研究采用溶胶-凝胶法成功制备了Lu掺杂LaFeO₃（La_0.93Lu_0.07FeO₃）丙酮传感材料，通过密度泛函理论（DFT）揭示了Lu掺杂促进丙酮传感的新机理。该材料在140°C的较低工作温度下，对40 ppm丙酮实现了82.1的高响应值，检测限低至200 ppb，响应时间仅需4秒，恢复时间16秒，并在连续30天测试中保持优异的长期稳定性。即使在高湿度的环境下，仍可丙酮具有可观的响应值，检测限仍为200 ppb。这项工作为解决传统钙钛矿基气体传感器灵敏度低、工作温度高、选择性差和稳定性不足等关键难题提供了一种新思路，同时为无创糖尿病诊断用高性能丙酮传感器的开发提供了理论指导。

1. 电荷转移机制：Lu³⁺掺杂促进界面电荷转移，强化丙酮吸附。

2. 丙酮传感性能突出：工作温度低至140°C，对40 ppm丙酮响应值达82.1，响应/恢复仅需4/16 s。

3. 优异稳定性：连续30天测试响应值稳定，85% RH高湿下仍可准确区分糖尿病与健康模拟呼气。

4. 超低检测限：检测限低至200 ppb，高湿度下仍可保持可观响应。

图1. 展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃的结构表征。a. Lu掺杂LaFeO₃的晶体结构图：展示了Lu取代La进入晶体A位的示意图。b. XRD（X射线衍射）图谱：展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃，说明低含量的Lu掺杂并未导致产物中形成新的相。c. 扫描电子显微镜（SEM）图像：展示了Lu掺杂LaFeO₃的微观形貌。d-e. 透射电子显微镜（TEM）图像：展示了Lu掺杂LaFeO₃的TEM图像和高分辨率TEM（HRTEM）图像，显示了Lu掺杂LaFeO₃的纳米结构。f．元素分布图：展示了Lu掺杂LaFeO₃的元素分布图，证明了La、Fe、O和Lu元素在材料中的均匀分布。

图2. 对Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃的拉曼光谱和红外光谱表征。a. 拉曼光谱图：Lu掺杂使拉曼信号发生红移，表明Lu的掺入引起了LaFeO₃的晶格收缩并缩短了化学键。b. 红外光谱图：Lu掺杂使红外信号发生红移，表明Lu的掺入引起了LaFeO₃的晶格收缩，结论与拉曼光谱高度一致。

图3. 对Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃的XPS La 3d、Fe 2p和O 1s表征。a-b. XPS La 3d图：表明Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃的La以La³⁺的形态存在。c-d. XPS Fe 2p图：表明Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃的Fe以Fe³⁺的形态存在。e-f. XPS O 1s图：掺杂后其化学吸附氧（Oc）的含量降低，表明吸附氧量并不是丙酮响应值提升的主要原因。

图4. 展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃对于丙酮气体的传感性能。a. 基础电阻变化图：展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯相LaFeO₃的传感器在不同工作温度下基础电阻的变化。b. 丙酮气体响应值图：展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯相LaFeO₃的传感器在不同工作温度下对40 ppm丙酮响应值。c. 选择性图：展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯相LaFeO₃的传感器对多种气体的响应值，其中对丙酮展现出优异的选择性。d. 响应-恢复曲线：Lu掺杂LaFeO₃传感器在140℃下对40 ppm丙酮的响应-恢复曲线，响应-恢复时间分别为4 s/16 s。e. 动态响应-恢复曲线：Lu掺杂LaFeO₃传感器在140℃下对0.2 ppm-50 ppm丙酮的动态响应-恢复曲线。可以看到，传感器的响应随着丙酮浓度的增加而提高，并且检测限低至0.2 ppm

f. 非线性相关性图：根据动态响应恢复曲线所拟合出的响应值与丙酮浓度之间的非线性渐进关系，结果表明线性关系良好。g. 重复性测试：Lu掺杂LaFeO₃传感器在多次动态响应测试中的重复性。结果表明，Lu掺杂LaFeO₃传感器具有良好的重复性。h. 模拟呼出气测试：进行了多轮模拟人体呼出气的测试，结果表明，Lu掺杂LaFeO₃传感器具有区分健康人群和糖尿病患者呼出气之间浓度差别的能力。

图5. 展示了Lu掺杂LaFeO₃和纯LaFeO₃的能带结构和传感机理。a. 能带结构图：Lu掺杂使LaFeO₃费米能级上移，有利于电子从材料向表面吸附氧物种转移。b. 传感机理示意图：展示了Lu掺杂LaFeO₃与丙酮的传感过程。

图6. 展示了通过密度泛函理论（DFT）计算的Lu掺杂LaFeO₃以及纯LaFeO₃的丙酮吸附结构模型。a. 掺杂前与掺杂后示意图：Lu原子在掺杂过程中取代了原位置上的La原子，并与丙酮气体进行吸附。b. 对不同气体的吸附：Lu掺杂LaFeO₃对丙酮表现出更高的吸附能和电荷转移。c. 非线性相关性：通过拟合不同气体下的响应值与电荷转移量，得到了Lu掺杂LaFeO₃响应值与电荷转移之间的非线性关系。表明响应值的提升与电荷转移量之间存在强相关性。

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