低成本Bi2O3/CuBi2O4异质结传感器用于呼气中甲醛标志物检测推动肺癌无创筛查

为解决肺癌早期诊断中高成本、侵入性及湿度干扰难题，研究人员通过一锅水热法合成Bi2O3/CuBi2O4(CBO)异质结传感器，实现在90%高湿环境下对50 ppb甲醛(HCHO)的高灵敏度检测(响应值1.50)，氧空位调控和界面电荷转移机制为肺癌呼气筛查提供新策略。

　　

肺癌作为全球癌症死亡的首要原因，其早期诊断面临巨大挑战——当患者出现咳嗽、胸痛等典型症状时往往已进展至晚期。现有诊断方法如CT扫描价格昂贵且具有辐射风险，而组织活检具有侵入性。近年来，呼气分析因其完全无创的特性成为研究热点，其中甲醛(HCHO)被证实是肺癌的关键呼气标志物：患者呼气中HCHO中位浓度达83 ppb，显著高于健康人群的48 ppb。然而，呼气环境90-100%的高湿度会严重干扰传统气体传感器的性能，开发兼具高灵敏度与湿度抗性的传感器成为突破瓶颈的关键。

河南理工大学物理与电子信息工程学院的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究中，创新性地采用一锅水热法合成Bi₂O₃/CuBi₂O₄(CBO)异质结材料。通过调控前驱体比例获得25 at% Bi₂O₃/CBO复合材料，其产量高达87.8%，成本仅为硝酸盐和氢氧化钠。研究结合密度泛函理论(DFT)计算与实验表征，揭示了材料增强性能的分子机制。

关键技术包括：1) 水热法可控合成异质结；2) X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)分析氧空位；3) 模拟呼气环境的湿度控制系统(35-90% RH)；4) DFT计算界面电子结构。

【材料表征】
TEM显示Bi₂O₃与CBO在界面处形成原子级接触，连续电子衍射证实异质结成功构建。XPS和EPR证实25 at%样品氧空位浓度提升1.8倍，直接增强对HCHO的吸附能力。

【气敏性能】
在260℃工作温度下，25 at%样品对100 ppm HCHO响应达40.09，是纯CBO的2.4倍。更突破性的是，在>90% RH极端湿度下仍保持1.50的响应值(50 ppb)，且响应衰减率仅23.08%，显著优于现有报道。DFT计算表明异质结界面形成电子积累层，使电荷转移效率提升3倍。

【结论与意义】
该研究通过原子级工程设计的Bi₂O₃/CBO异质结，首次实现高湿环境下超低浓度HCHO检测，其76.92%的湿度稳定性归因于Bi-O键(1.42)较Cu-O(1.54)更均匀的电荷分布带来的疏水性。这项成本不足传统方法1/3的技术，为肺癌大规模筛查提供了可商业化的解决方案，被评审专家评价为"呼气诊断领域的标志性进展"。王俊俊团队指出，该传感器通过中国医院伦理委员会批准的临床试验后，有望成为基层医疗机构的标配筛查工具。