中空SnO?纳米管作为气体传感器，用于检测3-乙烯基吡啶

《Microchemical Journal》：Hollow SnO 2 nanotubes as a gas sensor for detection of 3-vinylpyridine

环境烟草烟雾（ETS）中3-乙基吡咯啉（3-EP）检测研究，采用电纺法合成SnO?空心纳米管传感器，实现低检测限（0.5 ppm）和高响应特性，适用于实时ETS气体监测。

　　

Bingyu Wu|Haoxiang Wang|Qing Hua|Yuyang He|Gang Li|Yan Zhou|Dongpo Xu|Da Wu

引言

环境烟草烟雾（ETS）是一种众所周知的有害气体，通常分为吸烟者呼出的主流烟雾和香烟燃烧产生的侧流烟雾[1]。其众多有害成分与各种心血管和呼吸系统疾病有关[2]。因此，有必要评估ETS的暴露水平。

先前的研究表明，环境侧流烟雾的浓度（200–600 μg/支烟）远高于主流烟雾的浓度（4–30 μg/支烟）[3]。此外，侧流烟雾中的气相有毒化合物浓度更高，这使得气相成分在评估ETS暴露时更为重要。具体的气相标志物主要包括3-EP、尼古丁、2,5-二甲基呋喃等。在之前的研究中，尼古丁被认为是最具代表性的气相标志物，并被用于ETS的检测[3,4]。然而，由于其高黏附性，尼古丁容易附着在物体表面。相比之下，3-EP被认为是一种有效的气相标志物。作为尼古丁和其他物质的热解产物，它通常以气态存在于环境中，分子量为105.14，沸点为162°C。此外，其黏附性低于尼古丁，便于样品收集，并在ETS检测中表现出一定的特异性[5]。

ETS中气相标志物的检测通常涉及样品预处理和分析。预处理方法主要包括固相/液相微萃取[6,7]和分子印迹[8]，而样品分析技术包括气相色谱[9]、液相色谱[10]、毛细管电泳、分光光度法[11]和电化学方法[12]。尽管这些方法能够评估ETS气相标志物的暴露情况，但它们仍存在一些固有的局限性，如检测限高、依赖大型设备以及预处理程序复杂[13]。自1953年Brattan和Bardeen发现半导体金属的表面电荷与环境气体成分的变化相关以来[14]，半导体金属氧化物（SMOs）已被广泛用于监测环境气体浓度。SMOs可以通过捐赠或接受电子直接与环境气体（或处理过的气体）相互作用，从而改变电势障碍并引起电阻变化[[15], [16], [17], [18]]。这种机制大大减少了样品预处理的需求，因为只需要一个便携式的电阻式气体传感器即可实现现场实时监测环境气体。因此，基于SMO的传感器是ETS检测的理想选择。

SnO?是一种宽带隙半导体，由于其热稳定性、高电子迁移率、气体选择性等特性，在气体传感器中得到广泛应用。人们投入了大量努力来探索简单、低成本且高性能的SnO?材料。由于半导体氧化物传感器的传感机制源于其表面电阻的变化，较大的比表面积、高孔隙率和最小的团聚是关键因素，其中微观形态是影响其性能的关键指标[19]。Jiang等人使用金与氧化锡制备了复合纳米纤维，用于检测一氧化氮（NO）气体，这种复合材料提供了更多的活性位点和化学吸附的氧气。含有0.1 at.% Au的复合纳米纤维在130°C时对100 ppb NO气体的响应值达到了183（电阻比）[20]。Li等人[21]通过水热合成方法制备了层状微球形SnO?气体传感结构。制备的材料对100 ppm浓度的甲醛的响应值为38.26，并具有良好的选择性。Kuang等人[22]通过水热法后进行蚀刻制备了超细纳米棒纳米结构。在最佳加热温度下，对50 ppm乙醇的响应值为44。与水热合成方法相比，电纺法在纳米材料合成中具有更简单的合成条件和更强的稳定性。所得材料均匀且不易团聚，其形态可以通过调节电纺条件来控制。与纳米棒相比，电纺法制备的中空结构具有两个独立的气体接触界面。此外，中空通道结合高孔隙率，使得气体能够无障碍地进出和扩散。更重要的是，这些中空结构还对纳米管在长时间高温运行过程中因晶粒生长而导致的破裂具有一定的缓冲作用[[23], [24], [25]]。近年来，中空电纺结构在气体检测中发挥了不可或缺的作用。

本文采用了一种简单的电纺方法制备了表面具有孔隙的中空SnO?纳米纤维。这些纳米纤维被集成到气体传感器中，用于检测环境基质中的3-EP。该SMO气体传感器为3-EP的现场检测提供了一种便捷的方法。实验结果表明，该传感器具有较低的检测限、较高的响应值和优异的稳定性，在模拟环境中对真实样品的检测显示出了良好的响应变化和脱附行为，使其在实际环境检测中具有广泛的应用前景。

材料与仪器

无水甲醇、无水乙醇、N、N-二甲甲酰胺（DMF）、氯化亚锡（SnCl?·2H?O）、氨水、吡啶、甘油、甲苯、甲醛、氯仿、尼古丁和3-EP均从中国上海的Sinopharm Chemical Reagents购买。聚乙烯吡咯烷酮（PVPK88–96，分子量=1,300,000）从上海Aladdin Industrial购买。香烟从中国上海的当地超市购买。

使用了一种半导体表征仪器（WS-30A，中国）进行测试

SnO?纳米管的合成与表征

图1展示了SnO?纳米管的合成过程和传感器的构造。首先通过将PVP加入乙醇和DMF的混合溶剂中并搅拌来制备均匀溶液，然后加入氯化亚锡并搅拌过夜。通过单喷嘴电纺获得SnO?纳米线，随后将其煅烧形成纳米管。将制备好的纳米管涂覆在陶瓷管上制成传感器，当气体与传感器接触时

结论

总之，本文提出的使用SnO?中空纳米管半导体气体传感器检测3-EP的方法具有一定的实用性和创新性。它提供了一种新的ETS检测方法，该方法方便快捷、可实现实时传感，检测限低（0.5 ppm），并且检测范围广。该传感器能够有效区分分析物，适用于烟雾检测，因此具有很高的应用潜力。

以下是

CRediT作者贡献声明

Bingyu Wu：撰写——初稿。Haoxiang Wang：撰写——初稿，数据管理。Qing Hua：数据分析。Yuyang He：方法学研究，数据分析。Gang Li：数据分析。Yan Zhou：方法学研究。Dongpo Xu：撰写——审稿与编辑。Da Wu：撰写——审稿与编辑。

遵守伦理标准

无。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。