一种基于卟啉类金属有机框架（MOF）纳米片的低电位激发阴极电化学发光传感器，用于高灵敏度检测血清淀粉样蛋白A

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A low-potential excitation cathode electrochemiluminescence sensor constructed by porphyrin-based MOF nanosheets probes for highly sensitivity detection of serum amyloid A

氨气传感器研究：通过硫掺杂WSe?调控电子结构，结合PANI纳米棒异质结构增强电荷转移，在25°C、45%RH下实现505.75%高响应，检测限170.31 ppb，湿度耐受性优异。

　　本研究致力于开发一种高性能的常温氨（NH?）传感器，这在工业生产和环境监测领域具有重要意义。氨是一种无色、具有刺激性气味的气体，广泛应用于工业和农业中，但由于其毒性、高挥发性和在形成悬浮颗粒物中的关键作用，对人类健康和环境构成了严重威胁。氨气可损害眼睛、皮肤、呼吸系统和肝脏等多器官，并对生态平衡产生破坏性影响。因此，开发一种能够在常温下快速、高效地检测氨气的传感器，成为当前研究的热点之一。

传统的氨气传感器材料往往面临诸多挑战，包括灵敏度不足、湿度依赖性强以及电荷转移效率有限等问题。这些限制导致了在实际应用中传感器性能的下降，特别是在复杂环境条件下。为了克服这些缺陷，研究团队提出了一种创新的协同策略，结合电子结构调控与异质界面工程，成功制备了一种由硫掺杂的二硫化钨（S-WSe?）与聚苯胺（PANI）组成的二维/一维（2D/1D）异质结传感材料。这种复合材料不仅优化了电子带结构，还通过原位氧化聚合实现了PANI纳米棒在S-WSe?表面的垂直生长，从而显著提升了其气体传感性能。

S-WSe?@PANI传感器在25°C和45%相对湿度（RH）条件下对100 ppm NH?表现出高达505.75%的响应，相较于纯WSe?和PANI传感器分别提升了7.44倍和5.32倍。这一优异的性能源于材料结构的优化设计。一方面，通过将硫原子引入WSe?晶格中的硒位点，实现了对电子结构的有效调控，增强了材料的电子迁移能力。另一方面，PANI纳米棒的垂直生长不仅增加了材料的比表面积，还通过异质界面处的功函数差异促进了电荷的高效转移，从而提高了传感器对氨气的吸附能力与响应速度。

研究团队还通过密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了S-WSe?@PANI异质结构在氨气吸附方面的优势。计算结果表明，硫掺杂后的WSe?具有更强的氨气吸附能力，而PANI与S-WSe?之间的界面则有效促进了电荷的转移过程。这一协同作用使得传感器在常温条件下实现了高灵敏度和快速响应，同时具备良好的湿度稳定性。在80% RH的高湿度环境下，传感器对100 ppm NH?的响应依然保持在857.63%，显示出其在复杂环境下的应用潜力。

此外，该研究提出了一种集成电子结构调控与形态协同设计的创新材料构建策略。这种策略不仅适用于氨气传感器的开发，也为其他气体检测领域的材料设计提供了新的思路。通过对WSe?的硫掺杂以及PANI的原位生长，研究团队成功构建了一个具有丰富活性位点、优异导电性能和高度结构有序性的复合材料体系。该体系在常温下表现出卓越的传感特性，为实现高灵敏度、高选择性、低功耗的氨气检测设备奠定了坚实的基础。

在材料合成方面，研究团队采用了一种自上而下的退火法，并结合硫化处理，制备出具有特定电子结构的S-WSe?纳米材料。随后，通过低温度下的原位氧化聚合技术，在S-WSe?-2表面生长PANI纳米棒，形成了具有层级结构的S-WSe?@PANI复合材料。这一合成过程的关键在于如何实现PANI纳米棒的垂直排列，以及如何在不破坏WSe?原有结构的前提下，使其与PANI之间形成稳定的异质界面。通过精确控制反应条件和材料比例，研究团队成功构建了具有优异性能的WSP-200传感器。

从结构和形貌的角度来看，S-WSe?@PANI复合材料展现出独特的物理化学特性。S-WSe?的电子结构调控不仅提高了其自身的导电性，还增强了其对氨气分子的吸附能力。而PANI纳米棒的垂直生长则进一步扩大了材料的比表面积，为氨气分子提供了更多的吸附位点。这种结构上的协同设计使得传感器在常温下能够实现高效的气体检测。同时，由于PANI具有良好的导电性和可调控的纳米结构，其与S-WSe?之间的异质界面能够有效促进电荷的转移，从而提高传感器的响应速度和灵敏度。

为了验证传感器的性能，研究团队在多种实验条件下对其进行了系统测试。结果表明，WSP-200传感器在25°C和45% RH的环境下，对100 ppm NH?的响应达到了505.75%，远远优于传统材料。同时，该传感器还表现出极低的理论检测极限（170.31 ppb），这表明其在痕量氨气检测方面具有巨大潜力。此外，实验还表明，该传感器在高湿度环境下仍能保持良好的性能，对100 ppm NH?的响应为857.63%，显示出其出色的抗湿性。

除了对氨气的高灵敏度和快速响应外，该传感器还具备良好的选择性和稳定性。在测试过程中，传感器对其他常见气体（如NO?、CO等）的响应较低，表现出较强的特异性。同时，其在长时间运行后仍能保持稳定的检测性能，说明其具有良好的耐久性和环境适应性。这些特性使得S-WSe?@PANI复合材料在复杂环境下的应用成为可能，例如在工业排放监测、空气质量检测以及农业环境监控等领域。

研究团队还对S-WSe?@PANI复合材料的吸附机制进行了深入探讨。通过DFT计算，他们发现该异质结构对氨气分子的吸附能力显著增强，这主要得益于S-WSe?表面活性位点的引入以及PANI纳米棒的高比表面积。此外，异质界面处的功函数差异促进了电荷的转移，使得传感器在检测过程中能够迅速响应并恢复。这种机制的揭示不仅有助于理解传感器的工作原理，也为未来材料的设计提供了理论支持。

在实际应用中，该传感器的高灵敏度和低功耗特性使其在多种场景下具有广阔的应用前景。例如，在工业环境中，氨气常作为化学反应的副产物或污染物存在，需要实时监测以确保安全。而在农业领域，氨气的排放可能影响空气质量，进而对作物生长和生态环境产生不利影响。此外，在环境监测方面，该传感器可以用于检测城市空气中的氨气浓度，帮助评估空气质量并采取相应的治理措施。由于其能够在常温下工作，无需额外加热装置，因此在能源消耗和设备成本方面也具有优势。

从材料科学的角度来看，该研究不仅推动了氨气传感器的发展，还为二维材料与聚合物的协同设计提供了新的思路。传统的气体传感器往往依赖单一材料，而本研究通过结合两种具有不同特性的材料，实现了性能的互补和提升。这种异质结设计策略可以推广到其他气体检测领域，例如一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO?）等气体的检测。通过调控材料的电子结构和形态，研究团队成功构建了一种具有高灵敏度、高选择性和良好稳定性的新型传感材料，为未来的气体检测技术提供了重要的参考。

该研究的创新点在于将电子结构调控与异质界面工程相结合，实现了对材料性能的全面优化。传统的材料改性方法往往侧重于单一方向的改进，而本研究则通过多维度的设计策略，兼顾了材料的导电性、吸附能力和电荷转移效率。这种综合性的设计方法不仅提高了传感器的性能，还为其在复杂环境下的应用提供了保障。此外，研究团队还对材料的合成过程进行了详细优化，确保了其在实际制备中的可行性和稳定性。

从实验数据来看，WSP-200传感器在25°C和45% RH的条件下，对100 ppm NH?的响应达到505.75%，这表明其在常温环境下具有出色的检测能力。同时，该传感器的理论检测极限为170.31 ppb，这意味着其能够检测到极低浓度的氨气，满足了痕量检测的需求。此外，传感器在80% RH的高湿度环境下依然保持良好的性能，显示出其在恶劣环境条件下的适应性。这些实验结果不仅验证了材料设计的有效性，也为实际应用提供了可靠的数据支持。

在实际应用中，该传感器的低功耗特性尤为重要。由于其能够在常温下工作，无需额外的加热装置，因此可以大幅降低能耗，提高设备的可持续性。同时，该传感器的稳定性使其能够在长时间运行中保持良好的检测性能，减少了维护成本和更换频率。这些优势使得S-WSe?@PANI复合材料在实际工程应用中具有较大的潜力，尤其是在需要长时间连续监测的场景中。

综上所述，本研究通过电子结构调控与异质界面工程的协同策略，成功开发出一种高性能的常温氨气传感器。该传感器不仅在灵敏度和响应速度方面表现出色，还具备良好的抗湿性和稳定性，为复杂环境下的氨气检测提供了新的解决方案。此外，该研究提出的设计理念和方法也为其他气体传感器的开发提供了重要的参考价值。未来，随着材料科学和传感技术的不断进步，这类复合材料有望在更多领域得到应用，为环境监测、工业安全和健康防护等方面带来实质性的提升。