基于MEMS的PANI@UiO-66传感器用于快速响应和低检测限的NH3检测及其在疾病监测中的应用

本刊推荐：本研究创新性地在微热板MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）基底上开发了一种室温工作的氨气（NH3）传感器，通过聚苯胺（PANI）与金属有机框架（MOF）UiO-66的原位聚合，实现了对NH3的高响应（183.3%@1ppm）、快速响应/恢复（17s/110s）及超低检测限（LOD=0.634ppb）。该传感器在疾病（如慢性肾病、幽门螺杆菌感染）呼气标志物监测中展现出巨大应用潜力。

　　

Section snippets

The sensing mechanism of the PANI@UiO-66 sensor to NH₃

这款电阻式氨气传感器的工作原理是基于NH₃与敏感膜之间的化学反应所引起的电阻变化。本研究制备的PANI@UiO-66/MEMS传感器之所以具备高灵敏度、低检测限、快速响应和良好选择性等优势，主要归功于聚苯胺（PANI）错综复杂的质子化过程与UiO-66的微孔结构协同作用，增加了活性位点的数量。聚苯胺以翠绿亚胺盐形式存在，其感应机制涉及NH₃分子与PANI中亚胺基团（-NH-）的相互作用，导致PANI去质子化，从而引起电导率变化。UiO-66的多孔结构极大地增加了PANI的有效比表面积，为气体吸附和反应提供了更多位点，从而显著增强了传感器的响应信号。

Materials

本研究使用的所有材料包括：对苯二甲酸（BDC-H, >99.0%，东京化学工业株式会社）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF, 分析纯）、硝酸铈铵（Ce(NO₃)₆(NH₄)₂·6H₂O, 99%）、二氯甲烷（分析纯）、盐酸（36–38%）、苯胺单体（ANI）、过硫酸铵（APS）和氢氧化铵（NH₄OH）（均购自国药集团化学试剂有限公司）。所有实验均使用去离子水（DI）进行清洗，无需进一步处理。

Microstructure of PANI@UiO-66 sensor

通过扫描电子显微镜（SEM）对MEMS基底和PANI@UiO-66传感器的表面形貌进行了表征。MEMS呈现出悬空的微热板结构，中央基底为200μm*200μm的正方形，顶层具有叉指电极结构。UiO-66呈现出多面体颗粒结构，粒径约为500nm。PANI@UiO-66敏感层的微观结构显示，聚苯胺形成了相互交织的纳米纤维棒网络，成功地将UiO-66颗粒包裹其中，这种独特的结构有效增大了气体接触面积，为优异的传感性能奠定了基础。

Conclusions

本文采用原位聚合法制备了具有高气敏性的PANI@UiO-66敏感膜。通过将UiO-66与交织的PANI纤维棒相结合，增强了敏感膜与NH₃气体的接触面积。优化后的敏感膜对NH₃表现出卓越的响应性、选择性和快速响应速率。通过对传感器在15–50 ppb NH₃范围内的响应进行线性拟合，计算出的理论检测限低至0.634 ppb。