Tuttavia, la concentrazione dei COV caratteristici per il rilevamento del cancro ai polmoni sulla base dei test del respiro (come formaldeide, isopropanolo, acetone e ammoniaca) è generalmente inferiore a 1 ppm. La maggior parte degli ossidi metallici fatica a rispondere a concentrazioni così basse, il che può avere un impatto sulla diagnosi precoce del cancro ai polmoni.

I sensori di gas basati su semiconduttori a ossido di metallo (MOS) si sono rivelati promettenti nel rilevamento dei COV, ma la loro efficacia a concentrazioni molto basse rimane una sfida. La concentrazione di COV biomarcatori del cancro polmonare (come formaldeide, isopropanolo, acetone e ammoniaca) nei campioni di respiro è spesso inferiore a 1 ppm, rendendo difficile per la maggior parte degli ossidi metallici generare una risposta elevata. Superare questa limitazione è essenziale per migliorare la diagnosi precoce del cancro al polmone.

Per affrontare le sfide sopra menzionate, un team di scienziati dei materiali guidato dal professor Chao Zhang dell'Istituto di ingegneria delle superfici dell'Università di Yangzhou, in Cina, ha recentemente delineato lo sviluppo di nanoaghi ZnO drogati con ioni di metalli alcalini, specificamente drogati con sodio (Na) ioni, coadiuvati dall'acido citrico. Questo approccio mira a migliorare le prestazioni dei sensori di gas elettrochimici a base di ossidi metallici, consentendo un'elevata reattività per il rilevamento di COV a basse concentrazioni.

Il team ha pubblicato il proprio studio sul Journal of Advanced Ceramics .

"Il drogaggio di ioni metallici viene utilizzato efficacemente per migliorare le prestazioni di rilevamento di ZnO. In particolare, ZnO è altamente sensibile agli elementi metallici alcalini e mostra una buona stabilità al drogaggio, che renderà più facile il drogaggio degli ioni nel reticolo di ZnO, portando al formazione di più posti vacanti di ossigeno", ha detto Chao Zhang, autore senior dello studio.

"Inoltre, la solubilità dei metalli alcalini nel reticolo ZnO è strettamente correlata al raggio degli ioni droganti e una bassa concentrazione di drogante renderà difficile generare il livello di energia dell'accettore. Gli ioni Na hanno un raggio maggiore degli ioni Zn e mostrano un'elevata solubilità. È favorevole migliorare la concentrazione stabile del drogaggio di Na, portando alla formazione di un livello di accettore superficiale," ha aggiunto Zhang.

I ricercatori hanno utilizzato un metodo solvotermico per fabbricare nanoaghi tridimensionali di ZnO drogato con Na con diverse quantità di acido citrico. Il team ha valutato le proprietà di rilevamento del gas dello ZnO drogato con Na rispetto ai biomarcatori del cancro polmonare a concentrazioni inferiori a ppm, il metodo di preparazione è stato ottimizzato ed è stato ottenuto il rapporto ottimale tra acido citrico e ione Na.

L'esperimento ha dimostrato che il sensore di gas ZnO drogato con Na ha mostrato un'elevata sensibilità (~ 21,3 @ 5 ppm/50% RH) ai COV biomarcatori del cancro del polmone a basse concentrazioni, che è 7 volte superiore a quella dello ZnO puro. Inoltre, il sensore di gas risultante ha mostrato un'eccellente selettività per la formaldeide, una buona resistenza all'umidità e una ripetibilità affidabile a una temperatura ottimale di 225° C.

Inoltre, i ricercatori hanno spiegato il meccanismo del miglioramento delle prestazioni sensibili al gas. gli ioni Na hanno sostituito i centri ionici Zn per produrre più posti vacanti di ossigeno, il che ha aumentato la concentrazione dei difetti di ossigeno (O_v =20,98%) e i siti di adsorbimento del gas target sono stati aumentati.

Inoltre, Na è stato introdotto come livello energetico dell'impurità per diventare il livello energetico dell'accettore vicino alla parte superiore della banda di valenza, che era in contatto con la banda di valenza dello ZnO puro. Ciò ha ridotto l'ampiezza della banda proibita e ha ulteriormente stimolato i salti di elettroni, migliorando così le prestazioni sensibili al gas.