文章导读

在现代医学诊断领域，肺癌的早期发现对于提高患者的生存率至关重要。然而，传统的诊断方法如痰液细胞学检查、组织病理学检查和影像学检查等，往往存在侵入性、成本高、分辨率有限等问题。随着呼气分析技术的发展，一种新型的非侵入性诊断手段——金属氧化物半导体 (MOS) 气体传感器，因其对挥发性有机化合物 (VOCs) 的高响应性和快速响应时间而备受关注。本篇由中山大学材料学院刘小龙教授团队撰写并在 Chemosensors 期刊发表的文章综述了MOS气体传感器在肺癌诊断中的应用，探讨了其工作原理、材料选择、性能优化策略以及面临的挑战，为未来的研究和临床应用提供了宝贵的参考。文章首先介绍了肺癌的流行病学背景和传统诊断方法的局限性，随后深入探讨了MOS气体传感器的工作原理，包括气体分子与MOS表面相互作用的机制。接着，文章重点讨论了MOS气体传感器的材料选择，特别是n型半导体材料如SnO₂和ZnO的研究进展。此外，文章还详细介绍了提高MOS气体传感器性能的策略，如微观/纳米结构设计、表面修饰和湿度抵抗性改善。最后，文章讨论了MOS气体传感器阵列和模式识别技术在呼气分析中的应用，并对未来的研究方向提出了展望。

研究过程和结果

1. MOS气体传感器的工作原理

MOS气体传感器的工作原理基于传感材料在不同气体环境中电导变化来检测目标气体，涉及化学吸附氧模型、晶界势垒模型、体电阻模型和空间电荷层模型等多种理论，关键在于气体与材料表面的相互作用。以n型SnO₂为例，空气中的O₂在加热时吸附于表面形成化学吸附氧物种 (O₂^-、O^-、O₂^-)，同时在MOS晶粒接触界面产生电子耗尽层，使电阻升高；引入还原性气体 (如乙醇) 时，其与化学吸附氧物种反应释放电子，电阻降低；引入氧化性气体则会进一步耗尽传感层电子，增加电阻 (图1)。合理的实验设计能够以现有的材料为基础，实现其气敏性能的强化。例如，将MOS晶粒尺寸减小至接近或小于两倍Debye长度时，能够显著提升灵敏度。然而，粒径过小会致使纳米颗粒发生聚集现象，使得内部颗粒难以参与反应，进而导致气敏性能降低。基于此，特定的纳米结构设计以及“第二相修饰”对于提升MOS材料的气敏性能有着极为关键的意义。

图1. n型MOS敏感材料检测原理示意图。

2. MOS气体传感器的材料选择及性能优化策略

在过去几十年中，n型半导体SnO₂、ZnO、TiO₂、WO₃、In₂O₃、Fe₂O₃和CeO₂以及p型半导体CuO、NiO、Co₃O₄、Cr₂O₃和Mn₃O₄等均为研究较多的MOS材料，在众多MOS材料中，n型半导体如SnO₂、ZnO、TiO₂等因其优异的气敏性能而受到广泛研究。特别是SnO2和ZnO，因其高稳定性和电子转移能力而成为研究的热点。这些材料的不同形态，如纳米粒子、纳米线、纳米管等，对气体传感性能有显著影响。为了提高MOS气体传感器的性能，研究者们采取了多种策略，包括优化材料的微观/纳米结构、表面修饰以及改善湿度抵抗性。例如，通过引入贵金属如Pd、Pt等，可以显著提高传感器的响应性和选择性。此外，通过设计特定的纳米结构，如多壳层中空结构，也可以提高传感器的灵敏度和响应速度。呼气中的高湿度环境对MOS气体传感器的性能有负面影响，因此提高传感器的湿度抵抗性是实现准确诊断的关键。研究者们通过引入强亲水性或疏水性材料、低价位掺杂以及暴露特殊晶面等方法来提高MOS材料的湿度抵抗性 (图2)。

图2. 提高MOS的耐湿性能。

3. MOS气体传感器阵列和模式识别

由于目前尚未确定单一VOC为肺癌特异性生物标志物，且呼气中VOC成分复杂、干扰多、生物标志物浓度低，单一MOS材料传感器难以满足检测需求。与单MOS材料传感器对特定气体的高选择性不同，MOS阵列中的每个传感器无需对特定分析物具有高选择性，而是记录呼气与各种MOS的反应，形成“呼吸印记”，通过现有统计模型分析这些印记来识别低浓度肺癌生物标志物VOCs。传感器阵列有效克服了单MOS传感器选择性不足的问题，但使用过多传感器会因MOS的广谱响应特性导致信息冗余，增加识别系统难度而不提高准确性，因此需根据检测要求选择合适的MOS传感器阵列组成，并开发更准确高效的模式识别算法 (图3)。主成分分析 (PCA) 和线性判别分析 (LDA) 是常用的降维算法，可提高分类准确性、降低计算复杂度并便于可视化输出结果。MOS气体传感器阵列在肺癌诊断中具有巨大潜力，但环境因素 (如温度和湿度) 会影响其准确性和可靠性，未来需探索新材料和制造技术，并引入更多优化算法 (如深度学习算法) 以提高气体识别率，结合机器学习和人工智能技术改进气体识别算法。

图3. 传感器阵列与模式识别。

文章总结

本文全面综述了金属氧化物半导体气体传感器在肺癌诊断中的研究进展。肺癌的高死亡率凸显了早期诊断的迫切性，呼气分析为肺癌早期筛查提供了新途径，而MOS气体传感器在其中具有重要意义。MOS气体传感器具有诸多优点，其发展历程见证了技术的不断演进。工作机制方面，多种理论解释了其电导变化原理，基于这些原理，通过优化微观结构、贵金属修饰等策略可提升单MOS气体传感器的性能，如材料的多种结构优化显著提高了气敏性能，贵金属修饰不仅增强了响应和选择性，还降低了检测限，同时多种方法有效改善了湿度抗性。传感器阵列及模式识别技术的应用克服了单传感器选择性不足的问题，通过不同传感器组合和算法优化实现了对肺癌相关VOCs的有效检测，但在临床应用中仍面临生物标志物不确定、材料性能待提升、算法需优化和设备需改进等挑战。总之，MOS气体传感器在肺癌诊断领域虽取得一定进展，但要实现大规模临床应用仍需多学科协同努力。未来需明确肺癌呼气生物标志物，改进材料性能，开发先进算法，优化设备设计，深入理解气敏机制，以推动该技术在肺癌早期诊断中的广泛应用，为肺癌防治带来新的突破。

原文出自 Chemosensors 期刊：https://www.mdpi.com/2250712

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/chemosensors

Chemosensors 期刊介绍

主编：Nicole Jaffrezic-Renault, CNRS/University of Franche-Comté, France; Jin-Ming Lin, Tsinghua University, China

期刊范围涵盖化学传感理论，机理和检测原理，开发、制造技术，化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

2023 Impact Factor：3.7

2023 CiteScore：5.0

Time to First Decision：20.1 Days

Acceptance to Publication：2.9 Days