ZnO@SnO2核壳结构纳米纤维的共轴静电纺丝制备及其在乙醇蒸气检测中的高灵敏度应用

针对呼气诊断中痕量乙醇检测的难题，山西科研团队通过共轴静电纺丝技术(Coaxial electrospinning)成功制备ZnO@SnO2核壳固态纳米纤维。该材料表面化学吸附氧浓度显著提升，在320°C下对0.3ppm乙醇蒸气仍具响应，灵敏度达53.2（100ppm），且具备优异的选择性和稳定性，为肺癌呼气标志物检测提供了新型传感材料。

　　

（以下为论文解读，约2000字）

在医疗诊断领域，人体呼出气体中的乙醇浓度变化已被证实与肺癌等疾病密切相关。健康人群呼出气中内源性乙醇浓度通常低于0.3ppm，而肺癌患者该数值可能升至2ppm。然而现有商用传感器难以实现亚ppm级检测，这成为呼气诊断技术临床转化的关键瓶颈。传统传感材料如纯ZnO或SnO₂纳米纤维虽成本低廉，但灵敏度不足；而空心纳米纤维虽性能优异，却存在机械强度差、制备工艺复杂等产业化难题。

针对这一系列挑战，山西某研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。研究人员采用共轴静电纺丝这一兼具可规模化生产和精确调控优势的技术，成功制备出ZnO@SnO₂核壳固态纳米纤维。与Song等学者先前报道的空心纤维相比，该固态结构不仅解决了机械脆弱性问题，更通过异质结效应显著提升了材料性能。研究证实，该材料对100ppm乙醇蒸气响应值达53.2（工作温度320°C），最低检测限延伸至0.3ppm，完全覆盖临床诊断所需的检测范围。

关键技术方法包括：1）采用同轴喷嘴调控核壳尺寸的静电纺丝技术；2）X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析材料组成；3）扫描/透射电镜(SEM/TEM)表征形貌；4）系统测试不同湿度条件下的气敏性能。

【材料表征】
通过SEM观察发现，热处理后纳米纤维因聚合物分解产生收缩，直径从约400nm减小至80-120nm。TEM清晰显示核壳结构，壳层SnO₂厚度约15nm。XPS分析揭示核壳纤维表面化学吸附氧浓度比纯材料高37.5%，这归因于ZnO与SnO₂界面形成的异质结。

【气敏性能】
在320°C工作温度下，核壳材料对乙醇展现出卓越选择性：对100ppm乙醇的响应值（53.2）是对同浓度甲醇的11.6倍。值得注意的是，在0.3-2ppm低浓度区间仍保持线性响应，填补了先前研究空白。通过30天稳定性测试，响应值波动小于4.2%，证实其实际应用潜力。

【作用机制】
研究人员提出三重增强机制：首先，核壳界面形成的II型异质结促进电子转移；其次，SnO₂壳层提供更多氧吸附位点；最后，ZnO核的电子注入效应降低材料基线电阻。这种协同效应使材料在吸附乙醇分子时产生更显著的电阻变化。

该研究突破性地解决了呼气诊断传感器的三大核心需求：亚ppm级检测能力、抗环境干扰性以及产业化可行性。相比传统空心纤维，固态核壳结构更易于集成到微型化器件中，其制备工艺与现有半导体生产线兼容。特别值得关注的是，作者首次系统考察了湿度影响，证实在30-90%相对湿度范围内传感器保持稳定性能，这一发现对实际临床应用至关重要。

研究团队在讨论部分特别强调，该方法可通过简单更换前驱体溶液拓展至其他核壳体系，为设计新型气敏材料提供普适性策略。未来通过掺杂贵金属或构建多级结构，有望进一步降低检测限。这项成果不仅推动了呼气诊断技术的发展，也为纳米异质结材料在生物医学传感领域的应用开辟了新途径。