MoS2/CuO异质结复合材料的室温丙酮气体传感性能研究：面向糖尿病无创检测的新型传感器开发

研究人员针对传统金属氧化物半导体（MOS）丙酮传感器需高温工作、选择性差的问题，通过水热法构建MoS2/CuO p-n异质结复合材料，实现了室温下对丙酮的高灵敏度（响应值7.01）、快速响应/恢复（85/177 s）及优异选择性，为糖尿病呼气诊断提供了低功耗、高稳定性的新型传感方案。

　　

在糖尿病等代谢性疾病监测领域，呼气丙酮浓度检测因其无创性成为研究热点。健康人呼气丙酮浓度通常低于0.8 ppm，而糖尿病患者可达1.8 ppm以上，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（MOS）传感器普遍存在工作温度高（通常需200-400°C）、选择性差、功耗大等瓶颈，严重制约其在便携式医疗设备中的应用。

江苏科技大学（Jiangsu University of Science and Technology）的研究团队创新性地将二维材料二硫化钼（MoS₂）与氧化铜（CuO）复合，通过两步水热法构建了具有显著室温传感性能的p-n异质结材料。研究发现，这种异质结构能通过调控耗尽区宽度显著改变材料电阻，对丙酮分子表现出特异性的吸附能力。相关成果发表在《Materials Science and Engineering: A》上，为开发新一代低功耗医疗传感设备提供了材料基础。

研究采用水热合成法制备MoS₂/CuO复合材料，通过X射线衍射（XRD）和电子显微镜（SEM/TEM）确认了材料的晶体结构和形貌特征，利用X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学状态，并搭建气体测试系统评估传感性能。

材料表征结果显示：MoS₂呈现典型的层状结构（尺寸约3 μm），其边缘存在有利于气体吸附的卷曲区域；CuO纳米颗粒（约200 nm）均匀分布在MoS₂表面，形成紧密的异质界面。这种特殊结构提供了大量活性位点，XPS证实界面存在显著的电荷转移。

气体传感性能测试表明：在室温条件下，该传感器对100 ppm丙酮的响应值达7.01，远超单一组分材料；响应/恢复时间分别为85秒和177秒，且对乙醇、NO₂等干扰气体表现出良好选择性。机理分析指出，丙酮分子吸附会显著改变异质结耗尽区宽度，导致电阻变化比纯材料高2-3个数量级。

这项研究的重要意义在于：首次证实MoS₂/CuO异质结在室温丙酮检测中的优越性能，其响应值（7.01）是传统MOS材料的3-5倍。通过构建p-n结实现了电荷高效分离，将工作温度从常规的200°C降至室温，使传感器功耗降低90%以上。该材料可集成至便携式设备，为糖尿病筛查提供实时、无创的监测手段，同时为其他挥发性有机化合物（VOC）传感器设计提供了新思路。研究还获得江苏省双创计划（JSSCTD202146）和国家自然科学基金（52172069）的支持，显示出重要的临床转化潜力。