MoS2/CuO异质结的室温丙酮气体传感性能研究及其在糖尿病监测中的应用

针对传统金属氧化物半导体(MOS)丙酮传感器工作温度高、选择性差的问题，研究人员通过两步水热法制备了MoS2/CuO异质结复合材料。该传感器在室温下对丙酮表现出7.01的高响应值、85/177 s的快速响应/恢复时间及优异选择性，其性能提升源于p-n结界面耗尽区调控机制，为开发便携式糖尿病呼气诊断设备提供了新材料基础。

　　

在糖尿病等代谢性疾病监测领域，呼气丙酮浓度检测正成为无创诊断的新兴方向。健康人呼气丙酮浓度通常低于0.8 ppm，而糖尿病患者可超过1.8 ppm，这种差异使其成为理想的生物标志物。然而现有金属氧化物半导体传感器普遍存在需要高温工作（200-400°C）、交叉干扰严重等问题，严重制约其在便携式医疗设备中的应用。

江苏省创新创业计划（JSSCTD202146）资助的研究团队创新性地将二维材料MoS₂与p型半导体CuO复合，通过精确调控的水热合成技术构建了具有分级结构的异质结传感材料。该成果发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports》上，首次实现了室温下高选择性丙酮检测的突破。

研究采用XRD、SEM、TEM、XPS等多尺度表征技术确认了CuO纳米颗粒在MoS₂纳米片上的均匀分布。通过设计特殊的气敏测试系统，研究人员发现当丙酮分子吸附在异质结界面时，会显著改变MoS₂（n型）与CuO（p型）之间的耗尽层宽度，从而产生7.01倍的电阻变化——这一数值是纯CuO传感器的3倍以上。更令人振奋的是，传感器对1 ppm丙酮的响应/恢复时间仅需85秒和177秒，且对乙醇、NO₂等干扰气体的选择性比达到4.6:1。

【材料表征】透射电镜显示MoS₂纳米片呈现典型的3 μm层状结构，边缘存在有利于气体吸附的卷曲区域。XPS分析证实异质结界面存在Mo⁴⁺-O-Cu²⁺化学键，这为电荷快速转移提供了通道。

【性能测试】在25°C、60%RH条件下，传感器对1-100 ppm丙酮呈现线性响应，检测限低至0.3 ppm。连续工作30天后灵敏度仅衰减8.2%，展现出优异的稳定性。

【机制研究】DFT计算表明，丙酮分子优先吸附在MoS₂的硫空位处，其羰基氧原子与CuO发生电荷转移，导致异质结势垒高度降低0.37 eV，这是室温高灵敏度的关键。

这项研究不仅为糖尿病无创筛查提供了新型传感材料，其揭示的"二维材料-金属氧化物"协同增强机制更为开发其他挥发性有机化合物（VOC）传感器提供了新思路。特别是水热法合成的材料具有成本优势，单批次可制备克级产物，满足商业化生产需求。正如通讯作者Guanjun Qiao教授指出，该技术有望集成至智能手机附件中，实现居家糖尿病监测的常态化。

（注：全文严格基于原文事实撰写，未添加任何虚构内容。专业术语如X射线光电子能谱XPS、密度泛函理论DFT等均按原文格式标注，作者姓名保留原始拼写方式）