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氧化亚铜_银异质结构的生物硫化氢检测性能研究.pdf
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1、Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(4),214-219 Published Online April 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.144026 文章引用文章引用:刘晓娜,厉壬承,张晓宁,耿炜宏,王浩霖,孟沂.氧化亚铜/银异质结构的生物硫化氢检测性能研究J.应用物理,2024,14(4):214-219.DOI:10.12677/app.2024.144026 氧化亚铜氧化亚铜/银异质结构的生物硫化氢检测性能银异质结构的生物硫化氢检
2、测性能 研究研究 刘晓娜刘晓娜,厉壬承厉壬承,张晓宁张晓宁,耿炜宏耿炜宏,王浩霖王浩霖,孟孟 沂沂 临沂大学物理与电子工程学院,山东 临沂 收稿日期:2024年3月18日;录用日期:2024年4月20日;发布日期:2024年4月30日 摘摘 要要 H2S被证实是人体内一种非常重要的内源性气体信号分子,其在人体内的含量会随着某些疾病的发生而被证实是人体内一种非常重要的内源性气体信号分子,其在人体内的含量会随着某些疾病的发生而变化,对于冠心病患者血浆中变化,对于冠心病患者血浆中H2S的含量下降的含量下降49.56%,提示内源性,提示内源性H2S参与冠心病发病过程。因此,水参与冠心病发病过程。因此,
3、水溶性溶性H2S可作为冠心病等心血管疾病诊断的生物标志物,实现生物体内可作为冠心病等心血管疾病诊断的生物标志物,实现生物体内H2S浓度的快速检测可以达到冠心浓度的快速检测可以达到冠心病及时监测的目的,对人类健康具有重要的意义。本项目旨在通过二维电化学沉积方法制备具有清晰异病及时监测的目的,对人类健康具有重要的意义。本项目旨在通过二维电化学沉积方法制备具有清晰异质界面的质界面的Cu2O/Ag纳微异质结构,纳微异质结构,基于氧化亚铜与银纳米线之间的基于氧化亚铜与银纳米线之间的异质异质结构势垒结构势垒和和样品与电极之间的样品与电极之间的肖肖特基特基势垒势垒的的双重调节作用,实现了硫化氢的高灵敏检测,
4、双重调节作用,实现了硫化氢的高灵敏检测,且响应时间短,可靠性高。该研究且响应时间短,可靠性高。该研究可以可以为基于为基于Cu2O的异质结构的传感材料的制备提供新的思路。的异质结构的传感材料的制备提供新的思路。关键词关键词 H2S,Cu2O/Ag异质结构异质结构,电沉积电沉积 Study on the Performance of Cu2O/Ag Heterostructure for Bio-H2S Detection Xiaona Liu,Rencheng Li,Xiaoning Zhang,Weihong Geng,Haolin Wang,Yi Meng School of Physics
5、 and Electrical Engineering,Linyi University,Linyi Shandong Received:Mar.18th,2024;accepted:Apr.20th,2024;published:Apr.30th,2024 Abstract Hydrogen sulfide(H2S)has been proven to be a very important endogenous gas signaling molecule in the human body,and its content in the body will change with the
6、occurrence of certain diseases.For patients with coronary heart disease,the content of H2S in the plasma decreases by 49.56%,刘晓娜 等 DOI:10.12677/app.2024.144026 215 应用物理 suggesting that endogenous H2S is involved in the pathogenesis of coronary heart disease.There-fore,water-soluble H2S can be used a
7、s a biomarker for the diagnosis of cardiovascular diseases such as coronary heart disease.Rapid detection of H2S concentration in biological bodies can achieve the purpose of timely monitoring coronary heart disease,which is of great significance to human health.This project aims to build Cu2O/Ag na
8、no-micro heterogeneous structures with clear heterogeneous interfaces by two-dimensional electrochemical deposition method,based on the double regulation of the heterogeneous barrier between Cuprous oxide and silver nanowires and the Schottky barrier between sample and electrode,high sensitivity det
9、ection of hydrogen sulfide is achieved with short response time and high reliability.This study can provide new ideas for the preparation of sensing materials based on Cu2O heterostructures.Keywords H2S,Cu2O/Ag Heterostructures,Electrodeposition Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.Thi
10、s work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 近年来,随着人口老龄化日益加重以及现代医学水平的提高,慢性疾病(如心血管疾病、唐氏综合征、阿尔兹海默症等)的检测与控制成为当今社会面临的最具挑战性的问题之一。H2S 作为继 NO、CO 之后发现的第 3 种重要的内源性气体信号分子1,其在人体内的含量与多种生理过程相关,并在心血管疾病、唐氏综合征、肝硬化、癌症和糖尿病等
11、数十种疾病相关的信号过程方面发挥着重要作用,从而可以看作是这些疾病的生物监测标志物2 3 4 5。研究表明,血浆中 H2S 的含量在冠心病患者中下降 49.56%,且在不同冠脉血管病变的分型中,血浆中 H2S 含量随病变程度的加重而逐渐降低6。这一研究证明 H2S参与了冠心病的发病过程,且冠心病发病一般具有快速的特点,因此对血浆中 H2S 浓度的随时随地监测对于冠心病的诊断与控制具有重要意义。H2S 是一种无色,极易燃,具有臭鸡蛋气味的气体7。目前常用于检测 H2S 的方法主要包括比色法、液相色谱法、气相色谱法、电化学法、金属诱导硫沉积法及荧光法等。然而,这些方法需要专业人员操作、仪器昂贵且操
12、作复杂以及高成本、耗时的检测8 9 10 11,无法满足家庭式疾病快速检测的应用要求。如果可以开发一种类似血糖测试试纸的生物 H2S 传感器,实现对血液中 H2S 浓度及时、定量、快速地监测,那么对于冠心病等可以通过 H2S 浓度变化来反映病情的疾病的诊疗具有重要意义。金属氧化物半导体因其表面积大、结构有序、响应速度快以及灵敏度高等特点在传感器领域引起了广泛的关注12。到目前为止,关于 H2S 的检测,已有报道用 ZnO 13、CuO 14、Fe2O3 15等多种金属氧化物半导体来实现。然而,大多数研究都集中在 H2S 气体传感器方面,对水溶性 H2S 检测的研究还不够深入。CuO/Cu2O
13、作为一种典型的 p 型半导体,因其优异的性能引起了广泛的关注。基于 CuxO 的纳微异质结构可以与水溶性 H2S 发生硫化反应,生成金属性 CuxS,从而使异质结构纳米阵列的电导率发生实质性变化,因此 CuxO 半导体在水溶性 H2S 检测方面具有较大的应用前景。研究表明,基于 Cu2O/Co3O4纳米阵列的生物 H2S 传感器可以对水溶性 H2S 表现出良好的检测性能,并且能够检测出血液中微量的硫化氢16。但上述异质结构有序阵列的异质界面不够清晰,信号表达时将硫化钠信号转变为电信号的能力较弱,导致检测性能有待进一步提高,目前的工作重点为通过对异质界面构建的更优化,提高界面清晰Open Acc
14、essOpen Access刘晓娜 等 DOI:10.12677/app.2024.144026 216 应用物理 度,使反应器件对水溶性 H2S 有更强的响应度。Cu2O 纳米材料在水溶性 H2S 检测中表现出优异的性能,本研究基于纳微异质结构材料的界面电导调控性能,通过二维电沉积方法成功制备了具有清晰异质界面的 Cu2O/Ag 纳微异质结构阵列材料,与传统的水溶性 H2S 检测材料相比,根据最优电导生长原理构建的 Cu2O/Ag 纳微异质结构的异质界面清晰,界面势垒增强,电导率更优。通过对材料结构的分析,最大程度地提升异质界面电导调控的范围以实现水溶性 H2S 敏感度的优化。本研究对 Cu
15、2O/Ag 纳微异质结构制备过程以及机理进行分析,并在室温下(1030)对水溶性 H2S 进行系统性检测。结果证实该材料具有快速响应的特点,有望应用于冠心病等可以通过水溶性 H2S 浓度变化来反映病情的疾病的诊疗与检测。2.实验试剂与方法实验试剂与方法 1)配置实验试剂 实验试剂包括硝酸铜Cu(NO3)2、氢氧化钠(NaOH)和 Ag 纳米线溶液。配制电解液时,首先将 0.09664 g 的 Cu(NO3)2溶解在 20 mL 的去离子水中,再滴加 10 L、浓度为 1 moL/L 的 NaOH,充分搅拌电解液,从上述配制溶液中取出 3 mL 于离心管中,加入 2 L 的 Ag 纳米线溶液,制
16、成电解液。每次使用电解液前,将溶液充分摇匀,有利于减少电解液中 Ag 纳米线团簇,使 Ag 纳米线在电解液中分散均匀。2)二维电化学沉积法制备 Cu2O/Ag 纳微异质结构 首先将洗净的硅片以及玻璃片依次从下往上叠放在生长室内的 Peltier 元件上,随后在玻璃片上方以相距五毫米左右的距离平行放置两个纯度为 99.99%、厚度为 30 m、宽度为 1 mm 的铜金属电极,再将20 L 电解液滴加在两电极中间,缓慢盖上玻璃片,此过程中避免产生气泡,并封闭生长室。随后利用低温循环水浴给生长室降温,在两个玻璃片之间形成超薄冰层,由于溶质分凝原理,可以在冰层与两个玻璃片之间构建一个富含 Cu2+的准
17、二维电解液层。保持温度放置 5 min 后开始电沉积过程。沉积开始时,向两极之间施加 280 mV 直流电压,在此过程中,通过光学显微镜实时观察样品的生长过程。沉积过程约为 45 min,沉积完成后,取出带有 Cu2O/Ag 纳微异质结构的玻璃片,用去离子水冲洗 34 次,样品制备完成。3.结果与讨论结果与讨论 利用准二维电化学沉积方法制备 Cu2O/Ag 纳微异质结构,施加直流电压(280 mV)对氧化亚铜进行沉积,Cu2+在沉积电场的作用下向阴极迁移,并在沉积界面处被还原为 Cu2O,后续的 Cu2+不断被还原并堆积到沉积物的最前端,使沉积界面不断向阳极移动,并且,在此过程中,沉积纳米线会
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