基于Cu2O/石墨烯异质结的室温超灵敏H2S传感器及其在疾病诊断与环境监测中的应用

研究人员针对低浓度H2S低温检测难题，开发了2D电沉积原位组装法制备的Cu2O/石墨烯异质结传感器。该传感器在室温下对500-ppb H2S响应值达24125.785%，检测限低至5 ppb，且能在-20°C稳定工作。其突破性性能源于势垒调制与硫化反应的协同效应，为胃肠道疾病和工业安全监测提供了高灵敏、低成本的解决方案。

　　

论文解读

氢硫化氢(H₂S)既是剧毒气体又是人体第三内源性气体信号分子，其浓度在健康人呼气中仅1-10 ppb，而口腔疾病患者可达0.1-0.5 ppm，胃肠道疾病患者甚至超过500 ppb。然而现有传感器需150°C高温工作，难以满足室温检测需求，且对ppb级H₂S的灵敏度不足。山东自然科学基金支持的研究团队通过创新性异质结设计，在《Applied Surface Science》发表了一项突破性成果。

研究采用2D电沉积原位组装(2D EISA)技术，以最优电导生长原理为指导，构建了界面清晰的Cu₂O/石墨烯异质结。通过SEM、XRD等表征手段确认材料形貌，并系统测试了不同温度下的气敏性能。

材料表征
SEM显示样品由平行Cu₂O纳米线与泪滴状结构组成，石墨烯分布于泪滴前端。XRD证实Cu₂O立方相结构，拉曼光谱显示石墨烯特征峰，证明异质结成功构建。

气敏性能
传感器在20°C对1-ppm H₂S响应值达246588.51%，创室温检测纪录。5 ppb超低检测限比同类技术提升100倍，-20°C下对100-ppb H₂S仍保持71.26346%响应值。选择性测试表明其对NH₃、CH₄等干扰气体几乎无响应。

机制分析
性能提升源于双重机制：异质界面势垒调制增强电子转移效率，同时Cu₂O与H₂S发生硫化反应生成Cu₂S，显著改变材料电导率。DFT计算证实H₂S分子在异质界面吸附能最低。

实际应用
团队开发了便携式检测装置，可实时分析呼气与环境H₂S。该技术有望发展成类似血糖试纸的 disposable传感器，用于居家疾病筛查和工业安全监测。

结论与展望
这项研究通过精准界面调控实现了室温超灵敏H₂S检测，为气体传感器设计提供了新范式。Zongxu Liu等作者指出，该方法可拓展至其他生物标志物(如NO₂)检测，在个性化医疗和智能监测领域具有广阔前景。研究获得山东自然科学基金(ZR2022MA023、ZR2022MF342)资助。