综述：双重过程模型：挖掘听觉刺激在睡眠期间调节大脑振荡的潜力

《Sleep Medicine Reviews》：The dual-process model: Unlocking the potential of auditory stimulation to modulate brain oscillations during sleep

本研究开发了一种基于微热板MEMS基底的聚苯胺@UiO-66氨气传感器，在室温下表现出高灵敏度（183.3%）、快速响应（17秒）和低检测限（0.634 ppb），适用于便携式医疗监测设备。

　　这项研究提出了一种创新的氨（NH?）气体传感器，该传感器基于微热板MEMS基板，并在常温下运行。通过原位聚合技术，将导电聚合物聚苯胺（PANI）与金属有机框架（MOF）UiO-66相结合，成功构建了具有优异性能的传感材料。该PANI@UiO-66传感器在检测1 ppm NH?时表现出高达183.3%的响应率，响应和恢复时间分别仅为17秒和110秒，理论检测限（LOD）可达到0.634 ppb。此外，该传感器还展现出出色的气体选择性和长期稳定性，这使得其成为用于便携式和轻量化设备的高潜力候选材料，特别是在与呼出气体相关的疾病监测中。

氨作为一种重要的代谢标志物，在呼出气体分析中具有广泛的应用价值。它不仅与肾功能障碍、肝病、口臭、幽门螺杆菌感染以及终末期肾病（ESRD）等疾病密切相关，而且其浓度水平在不同疾病状态下表现出显著差异。例如，慢性肾病（CKD）患者的呼出气体中氨浓度通常在0.82至14.7 ppm之间，而幽门螺杆菌感染则会导致氨浓度上升至50至400 ppb。这些变化使得氨的检测成为一种非侵入性诊断的重要手段，为疾病的早期预警和筛查提供了新的可能性。

传统的呼出气体分析方法通常依赖于复杂的仪器设备，如气相色谱-质谱联用（GC-MS）、离子迁移谱（IMS）以及选择离子流管质谱（SIFT-MS）。这些技术虽然具有较高的检测精度，但往往存在设备体积大、成本高、操作繁琐等问题，限制了其在临床和日常应用中的普及。相比之下，气体传感器因其结构简单、灵敏度高、体积小、功耗低等优势，成为疾病监测领域的重要工具。特别是在氨检测方面，电阻型传感器因其良好的性能和便捷性而受到广泛关注。

目前，用于电阻型氨传感器的主要气体敏感材料包括金属氧化物、导电聚合物、碳材料、二维材料以及金属有机框架（MOFs）。其中，导电聚合物聚苯胺因其对氨的独特选择性、高灵敏度、低成本以及易于制造等特性，成为研究的热点。通过与其他材料的复合，如贵金属、硫化物、MOFs和有机酸，可以进一步提升聚苯胺的气体响应性能。例如，Zhao等人通过构建聚苯胺与二维WS?的异质结结构，显著增加了氨的响应效率，达到277%的响应率。Song等人则通过将聚苯胺与聚苯乙烯磺酸（PSS）、石墨烯（GP）以及多壁碳纳米管（MWCNTs）复合，有效增强了氨气体传感器的性能。

然而，现有的氨传感器仍然面临一些挑战，例如检测限较高、难以集成等问题，这限制了其在检测低浓度氨气体（如呼出气体中的氨）方面的应用。为了克服这些限制，研究者们正在积极寻找新的材料和改进方法。金属有机框架（MOFs）因其独特的结构和性能，被认为是提升氨传感器性能的有效材料。MOFs是一种由有机配体和无机金属离子或簇通过配位键自组装形成的多孔有机-无机杂化材料。它们具有较大的比表面积和较强的活性物质封装能力，因此在废水吸附、气体吸附和防腐蚀涂层等领域受到广泛关注。

在氨气体传感方面，MOFs也展现出良好的应用前景。例如，Shalini Prasad等人通过将氧化还原探针——菲咯啉（ferrocene）封装在MOF中，构建了具有高灵敏度和特异性的氨检测电化学传感器。该传感器能够检测低至400 ppb的NH?，有望实现对慢性肾病等疾病的非侵入性诊断和早期预警。E. Namratha等人则开发了一种TiO?掺杂的-NH?-MIL-125复合传感器，有效提升了比表面积，从而增强了响应值并缩短了响应和恢复时间。同时，该复合材料的化学稳定性也得到了改善。UiO-66作为一种常见的MOF材料，也被认为可以作为聚苯胺的有效改性剂，以提升其传感性能。然而，目前其在气体传感中的应用仍较为有限。

为了进一步提升氨传感器的性能，研究团队采用了一种基于微热板MEMS技术的新型传感器设计。微热板MEMS设备采用悬浮结构，将微型加热器和叉指电极集成在一起，有效减少了基板的热损失。这种结构具有体积小、寿命长、可靠性高、一致性好以及适合构建传感器阵列等优点。在本研究中，采用微热板芯片作为PANI@UiO-66传感膜的基板，通过原位聚合方法构建了传感膜。UiO-66的引入显著提升了传感器的整体性能，使其在检测15 ppb至5 ppm的NH?时表现出高灵敏度、低检测限、优异的循环传感能力和良好的气体选择性。

为了验证传感器的性能，研究团队在25℃和65%相对湿度（RH）的条件下，对不同浓度的NH?进行了测试。同时，还探讨了单宁浓度、UiO-66含量、温度和湿度等因素对传感器性能的影响。测试结果表明，基于MEMS的PANI@UiO-66传感器具有出色的响应性和选择性，响应速度快，能够准确检测低浓度的NH?。这些特性使其在诊断肾病和幽门螺杆菌感染等疾病方面展现出广阔的应用前景。

在材料制备方面，研究团队使用了多种高质量的原料。其中包括对苯二甲酸（BDC-H，纯度>99.0%，由东京化学工业株式会社提供）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯）、四氧化三铈（Ce(NO?)?(NH?)?·6 H?O，纯度99%）、二氯甲烷（分析纯）、盐酸（36–38%）、苯胺单体（ANI）、过硫酸铵（APS）以及氨水（NH?OH，均由国药集团化学试剂有限公司提供）。所有实验均使用去离子水（DI）进行清洗，无需进一步处理。材料的选择和制备过程确保了传感器的性能和稳定性。

在微观结构方面，研究团队通过显微成像技术对MEMS基板和PANI@UiO-66传感器的表面形态进行了分析。如图3所示，MEMS基板呈现出悬浮的微热板结构，中央基板为200 μm×200 μm的正方形，顶部层设有叉指电极结构。UiO-66则呈现出多面体颗粒结构，颗粒大小约为500 nm。PANI@UiO-66传感层的微观结构如图3c和图3d所示，聚苯胺在该结构中形成了独特的形态，与UiO-66的多孔结构相结合，为氨的检测提供了更多的活性位点，从而提升了传感器的性能。

在研究过程中，研究团队还探讨了不同参数对传感器性能的影响。例如，通过调节苯胺的浓度和UiO-66的含量，可以优化传感膜的性能。此外，温度和湿度的变化也对传感器的响应和恢复时间产生影响。通过系统的研究，研究团队发现，在25℃和65% RH的条件下，传感器能够稳定工作，并表现出良好的气体响应能力。这些结果为后续的传感器优化和实际应用提供了重要依据。

研究团队的成果表明，PANI@UiO-66传感膜具有优异的气体敏感性能，能够在常温下有效检测氨气体。通过将UiO-66与聚苯胺纤维杆交织在一起，增强了传感膜与氨气体的接触面积，从而提升了传感器的响应率和选择性。理论检测限的计算结果显示，该传感器在15–50 ppb的NH?浓度范围内具有较低的检测限，能够准确检测低浓度的氨气体。这些性能指标使得PANI@UiO-66传感器成为一种理想的检测工具，特别是在需要高灵敏性和快速响应的疾病监测场景中。

此外，研究团队还对传感器的结构和性能进行了深入分析。通过原位聚合方法，成功构建了PANI@UiO-66传感膜，并将其集成在MEMS基板上。这种结构不仅提高了传感器的性能，还增强了其稳定性和一致性。研究团队还对不同浓度的NH?进行了测试，验证了传感器在不同环境条件下的可靠性。测试结果表明，该传感器能够在多种环境下保持良好的性能，为实际应用提供了坚实的基础。

研究团队的贡献得到了广泛认可。该研究不仅提出了新的材料组合和传感器设计，还通过系统的实验验证了其性能。这些成果为氨气体检测技术的发展提供了新的思路，并为疾病监测领域提供了更具实用性的工具。此外，研究团队还对材料的制备和性能优化进行了深入探讨，为后续的研究奠定了基础。

总的来说，这项研究为氨气体检测技术的发展做出了重要贡献。通过将导电聚合物聚苯胺与金属有机框架UiO-66相结合，并将其集成在微热板MEMS基板上，研究团队成功构建了一种具有高灵敏度、低检测限、快速响应和良好选择性的氨气体传感器。该传感器在检测呼出气体中的低浓度氨方面展现出广阔的应用前景，特别是在慢性肾病和幽门螺杆菌感染等疾病的非侵入性诊断中。研究团队的成果不仅提升了氨气体检测技术的性能，还为未来的传感器设计和应用提供了重要的参考。