Sin embargo, la concentración de COV característicos para la detección del cáncer de pulmón según las pruebas de aliento (como formaldehído, isopropanol, acetona y amoníaco) suele ser inferior a 1 ppm. La mayoría de los óxidos metálicos tienen dificultades para responder a concentraciones tan bajas, lo que puede afectar el diagnóstico temprano del cáncer de pulmón.

Los sensores de gas basados ​​en semiconductores de óxido metálico (MOS) se han mostrado prometedores en la detección de COV, pero su eficacia en concentraciones muy bajas sigue siendo un desafío. La concentración de COV de biomarcadores de cáncer de pulmón (como formaldehído, isopropanol, acetona y amoníaco) en muestras de aliento suele ser inferior a 1 ppm, lo que dificulta que la mayoría de los óxidos metálicos generen una respuesta alta. Superar esta limitación es esencial para mejorar el diagnóstico temprano del cáncer de pulmón.

Para abordar los desafíos mencionados anteriormente, un equipo de científicos de materiales dirigido por el profesor Chao Zhang del Instituto de Ingeniería de Superficies de la Universidad de Yangzhou, China, describió recientemente el desarrollo de nanoagujas de ZnO dopadas con iones de metales alcalinos, específicamente dopadas con sodio (Na). iones, asistidos por ácido cítrico. Este enfoque tiene como objetivo mejorar el rendimiento de los sensores de gases electroquímicos basados ​​en óxidos metálicos, lo que permite una alta capacidad de respuesta para detectar COV en concentraciones bajas.

El equipo publicó su estudio en el Journal of Advanced Ceramics. .

"El dopaje con iones metálicos se utiliza eficazmente para mejorar el rendimiento de detección del ZnO. Especialmente, el ZnO es muy sensible a los elementos de metales alcalinos y exhibe una buena estabilidad de dopaje, lo que facilitará que los iones se dopen en la red de ZnO, lo que lleva a la formación de más vacantes de oxígeno", afirmó Chao Zhang, autor principal del estudio.

"Además, la solubilidad de los metales alcalinos en la red de ZnO está estrechamente relacionada con el radio de los iones dopantes, y una baja concentración de dopaje dificultará la generación del nivel de energía del aceptor. Los iones Na tienen un radio mayor que los iones Zn y muestran una alta solubilidad. Es favorable mejorar la concentración estable del dopaje de Na, lo que lleva a la formación de un nivel de aceptor poco profundo", añadió Zhang.

Los investigadores utilizaron un método solvotérmico para fabricar nanoagujas tridimensionales de ZnO dopado con Na con diferentes cantidades de ácido cítrico. El equipo evaluó las propiedades de detección de gases del ZnO dopado con Na frente a biomarcadores de cáncer de pulmón en concentraciones inferiores a ppm, se optimizó el método de preparación y se obtuvo la proporción óptima de ácido cítrico e ion Na.

El experimento demostró que el sensor de gas ZnO dopado con Na exhibió una alta sensibilidad (~ 21,3 a 5 ppm/50 % de humedad relativa) a los COV de biomarcadores de cáncer de pulmón en concentraciones bajas, que es 7 veces mayor que la del ZnO puro. Además, el sensor de gas resultante mostró una excelente selectividad para el formaldehído, buena resistencia a la humedad y repetibilidad confiable a una temperatura óptima de 225 °C.

Además, los investigadores explicaron el mecanismo de la mejora del rendimiento sensible a los gases. los iones Na reemplazaron los centros de iones Zn para producir más vacantes de oxígeno, lo que aumentó la concentración de defectos de oxígeno (O_v =20,98%) y se aumentaron los sitios de adsorción de gas objetivo.

Además, el Na se introdujo como un nivel de energía de impureza para convertirse en el nivel de energía aceptor cerca de la parte superior de la banda de valencia, que estaba en contacto con la banda de valencia del ZnO puro. Esto redujo el ancho de la banda prohibida y estimuló aún más los saltos de electrones, mejorando así el rendimiento sensible al gas.