脉冲激光沉积(PLD)退火ZnO薄膜实现高灵敏度高选择性氨气(NH3)传感及其疾病标志物检测应用

研究人员针对工业排放和疾病标志物检测需求，通过脉冲激光沉积(PLD)技术开发退火ZnO薄膜传感器，实现5.2 ppm超低NH3检测限，响应值达89%（较未退火薄膜提升9倍），响应/恢复时间60/65秒，在CO/H2/NO2等干扰气体中保持优异选择性，为肝肾疾病呼气诊断提供便携解决方案。

　　

氨气(NH₃)既是工业污染物又是关键疾病标志物，其检测在环境监测和医疗诊断领域具有重要意义。传统GC-MS色谱仪虽精度高但成本昂贵且不便携，而现有金属氧化物半导体(MOS)传感器普遍存在选择性差、响应慢等问题。尤其对于慢性肝肾疾病患者，其呼气中NH₃浓度超过5 ppm即可作为诊断依据，但现有传感器难以满足临床实时监测需求。

为突破这一技术瓶颈，来自印度理工学院巴特那分校的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，创新性地采用脉冲激光沉积(PLD)技术制备氧化锌(ZnO)薄膜，通过精确控制退火温度开发出高性能NH₃传感器。研究通过系统优化发现450℃退火处理的ZnO薄膜展现出突破性性能：对5.2 ppm NH₃的响应值达89%，较未退火样品提升9倍，且响应/恢复时间分别缩短至60秒和65秒。更值得注意的是，该传感器在CO、H₂、NO₂等8种干扰气体中表现出卓越选择性，为呼气诊断提供了可靠工具。

关键技术方法包括：PLD沉积ZnO薄膜、250-450℃梯度退火处理、X射线衍射(XRD)晶体结构分析、原子力显微镜(AFM)表面形貌表征、场发射扫描电镜(FESEM)观测微观结构、拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)化学组成分析，以及电流-电压(I-V)特性测试。

【Structural Analysis and Raman spectroscopy】
XRD分析显示450℃退火使ZnO(002)晶面衍射峰强度显著增强，对应六方纤锌矿结构（JCPDS 036-1451），晶粒尺寸从24.5 nm增大至31.2 nm。拉曼光谱在437 cm^-1处出现特征峰，证实退火改善了晶体质量。

【Conclusion】
研究证实退火处理通过消除晶界缺陷、增加氧空位，显著提升ZnO薄膜的载流子迁移率。450℃退火样品表面粗糙度(Ra)从2.1 nm降至1.5 nm，形成致密均匀的纳米颗粒结构，这是实现高响应的关键。在混合气体测试中，该传感器对NH₃的响应值是对CO的11.8倍，对H₂的14.7倍，展现出独特的选择性机制。

该研究不仅为工业NH₃监测提供了新型传感材料，更开创了非侵入式疾病诊断新途径。通过将检测限推进至病理阈值以下（5 ppm），使得早期发现肝肾功能障碍成为可能。作者Puja Ghosh和Rohit Kumar强调，该技术未来可与物联网结合，开发家用呼气诊断设备，实现疾病的居家筛查。研究获得印度国家研究基金会(SERB)资助，相关成果已申请专利保护。