基于p-Rh2O3-n-WO3异质结的MEMS丙酮气体传感器在糖尿病诊断与病情监测中的应用研究

本研究针对糖尿病无创诊断需求，开发了一种基于p-Rh2O3-n-WO3异质结的MEMS丙酮气体传感器，检测限达110 ppb，功耗仅26.5 mW。该传感器通过分析呼气丙酮浓度差异，实现了糖尿病筛查与病情分级监测，为临床提供了一种微型化、低功耗的解决方案。

　　

糖尿病已成为全球公共卫生挑战，2021年全球患者达5.37亿。传统血糖检测需采血且无法反映长期血糖水平，而呼气丙酮作为糖尿病生物标志物，其浓度与血糖水平呈正相关（健康人300-900 ppb，未治疗患者>1800 ppb）。然而现有丙酮传感器面临检测限高（通常>500 ppb）、功耗大、稳定性不足等问题。山东理工大学的研究团队通过构建p-Rh₂O₃-n-WO₃异质结，开发出超灵敏MEMS传感器，相关成果发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》。

关键技术方法
采用甘油热解法合成WO₃前驱体，与RhCl₃溶液混合后滴涂于商用MEMS芯片。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和高分辨透射电镜（HRTEM）证实异质结形成，EDS mapping验证Rh元素均匀分布。传感器测试系统模拟人体呼气环境，评估灵敏度、选择性和长期稳定性。

研究结果

1. 材料特性：XRD显示WO₃为斜方晶系（JCPDS 71-0131），XPS证实Rh以Rh₂O₃形式存在，HRTEM观察到p-n异质结界面的晶格条纹。
2. 传感性能：在220°C（功耗26.5 mW）下实现110 ppb检测限，对丙酮的响应值显著高于乙醇、甲醇等干扰物。连续测试30天响应波动<5%。
3. 临床模拟：成功区分健康人（300-900 ppb）与糖尿病患者（920-1200 ppb未治疗组，190-660 ppb控制组）的模拟呼气样本。

结论与意义
该研究通过p-n异质结增强电子转移效率和Rh₂O₃的催化作用，首次将MEMS丙酮传感器检测限降至接近健康人呼气丙酮下限（110 ppb）。其26.5 mW的超低功耗（仅为陶瓷加热器的1/10）和3个月稳定性，为构建便携式糖尿病监测设备奠定基础。作者团队（通讯作者Qiang Jing）指出，该技术未来可通过集成呼气预处理模块进一步提升临床适用性。