人体呼出气体包含丰富的生理信息，些典型的挥发性有机化合物(VOCs)已被公认为是人体某些疾病和代谢的生物标志物。通过收集并分析呼出气体的种类和浓度，可以对人体生理或病理状态进行监测。这种人体呼出气分析方法是一种无创、快速的疾病早期筛查前沿技术。然而，由于人体呼出气体浓度低、湿度高、成分复杂，使得气体传感器在人体呼出气检测应用方面仍然存在诸多挑战。考虑到气体分子和敏感材料表面反应的复杂性，定向设计用于呼吸分析的传感材料十分重要。
金属有机框架材料 (MOFs) 以其高比表面积、高孔隙率、丰富的拓扑结构以及可调的功能位点等特征在气体传感器领域展现出了巨大的应用前景。吉林大学张彤教授团队充分利用MOFs及其衍生物的特性优势，提出了针对人体呼吸检测的“双重传感，合作诊断”策略：首先，利用溶剂热法制备了氨基功能化的Fe-MIL-101，Fe-MIL-101-NH2作为一种非导电传感层被应用在QCM器件中，通过Fe-MIL-101-NH2中氨基与水分子之间的氢键相互作用，实现了对湿度的检测，基于Fe-MIL-101-NH2的QCM湿度传感器具有高选择性和快速的响应恢复时间（16 s/15 s）。其次，钴离子和镍离子被引入Fe-MIL-101-NH2中，铁离子被钴离子和镍离子部分取代后获得了三金属MOFs（CoNiFe-MOFs）。通过对CoNiFe-MOFs氧化热解制备了衍生的Co/Ni/Fe三金属尖晶石氧化物。Co/Ni/Fe三金属尖晶石氧化物被应用于半导体气体传感器，其对糖尿病生物标志物—丙酮气体，具有高灵敏度（560%）和良好的选择性，同时相较于单金属氧化物（Fe2O3）和双金属氧化物（NiFe2O4）具有更低的基础电阻。DFT计算结果表明相比于铁、镍位点，钴位点与丙酮气体的相互作用最强。（3）MOF及其衍生的三金属氧化物进行协同合作，以用于人体呼出气分析检测。结果表明，Fe-MIL-101-NH2可以作为水分子的预吸附层修饰在Co/Ni/Fe三金属氧化物的表面，在一定程度上减少了呼出气丙酮检测中湿度对传感信号的干扰。该研究结果为有效利用MOFs及其衍生物来实现呼出气分析中痕量气体的检测提供了新思路。
图1. 基于Fe-MIL-101-NH2及其衍生物的传感器的示意图。Fe-MIL-101-NH2作为质量型QCM湿度传感器的敏感层，用于检测不同湿度环境下的频率信号变化。衍生的Co/Ni/Fe三金属氧化物作为半导体气体传感器的敏感层，用于检测不同丙酮气体环境下的电阻信号变化。两种材料相结合可用于人体呼出气体中湿度检测、丙酮气体传感器灵敏度补偿、以及人体糖尿病疾病的早期筛查。
图2. a) QCM-H传感器单循环瞬态响应和恢复曲线。b) QCM-H传感器对不同相对湿度环境下的频率响应曲线。c) QCM-H传感器的湿滞特性曲线。d) QCM-H传感器对不同气体的频率变化。e) QCM-H传感器多循环响应恢复曲线。f) QCM-H传感器一个月内对不同RH的响应。g) Fe-MIL-101-NH2的FT-IR光谱。h) 水分子与Fe-MIL-101-NH2氢键作用示意图。
图3. a) Fe2O3、NiFe2O4、CoNiFe-MOS-1、CoNiFe-MOS-2和CoNiFe-MOS-3在190ºC下的初始电阻。b)不同工作温度下，CoNiFe-MOS-n传感器对100 ppm丙酮的灵敏度。c) CoNiFe-MOS-n的传感器对100 ppm丙酮的电阻瞬变曲线。d) 180℃下CoNiFe-MOS-2对5-100 ppm丙酮的瞬态电阻变化曲线。e) CoNiFe-MOS-n传感器在1-100 ppm丙酮中的灵敏度。f) CoNiFe-MOS-2在180°C下对1 ppm丙酮的灵敏度变化曲线。g) CoNiFe-MOS-2传感器在5个循环过程中对100 ppm丙酮的灵敏度变化曲线。h) CoNiFe-MOS-n对不同目标气体的灵敏度。i) 丙酮分子吸附在CoNiFe-MOS-2 (220) 晶面Fe (左)，Ni (中)，Co (右)位点的俯视图和侧视图。j) 水分子、甲醛分子和乙醇分子吸附在CoNiFe-MOS-2 (220) 晶面Co位点上的侧视图。
图4. a-b) CoNiFe-MOS-2传感器对健康人体呼出气（S-1）、模拟糖尿病呼出气（S-2）和湿度处理后的模拟糖尿病呼出气（S-3）的敏感性曲线。c) MOF-CoNiFe-MOS-2传感器水分吸收层和丙酮传感层示意图。d) CoNiFe-MOS-2传感器和MOF-CoNiFe-MOS-2传感器对模拟糖尿病呼出气的灵敏度。e) CoNiFe-MOS-2的传感器对健康人体呼出气A、模拟糖尿病呼出气B、湿度处理后的模拟糖尿病呼出气C和MOF-CoNiFe-MOS-2传感器对模拟糖尿病呼出气D的响应和恢复时间。
