第一作者：廖祥健

通讯作者：黄爱萍、刘贤哲、罗坚义

背景介绍及内容概述

丙酮是通过呼气分析诊断糖尿病的重要生物标志物。然而，如何制造出具有理想气体传感能力的基于金属氧化物半导体的传感器来检测亚ppm丙酮仍然是一项重大挑战。近日，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心罗坚义教授、黄爱萍教授、刘贤哲博士团队报道了一种采用简单的一步溶剂热法，有效地制备了不同Ni含量的异质结构Ni_xFe_3-xO₄复合材料。基于Ni_xFe_3-xO₄复合材料的传感器由于形成了独特的微结构和众多的活性位点，对50 ppm的丙酮表现出良好的气体传感性能。值得注意的是，即使在亚ppm级的丙酮浓度下，传感性能最佳的Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器也表现出显著的信号响应，在0.1-5.0 ppm的丙酮浓度范围内表现出良好的单调递增响应（R² = 0.994）。此外，在Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器中还观察到健康个体和模拟糖尿病患者呼气样本之间的不同信号响应，这意味着Ni_xFe_3-xO₄复合材料为呼吸分析有效检测丙酮提供了另一种新策略。

本工作以“Heterostructured Ni_xFe_3-xO₄ composites for sub-ppm acetone detection”为题，发表在Sensors and Actuators: B. Chemical 上

论文具体工作内容

图1 Ni_xFe_3-xO₄复合材料的合成设计图 

图2  Ni_xFe_3-xO₄复合材料的XRD图谱

图3  Ni_xFe_3-xO₄复合材料的SEM图像：（a）Ni_0.6Fe_2.4O₄，（b）Ni_0.8Fe_2.2O₄，（c）Ni_1.0Fe_2.0O₄和（d）Ni_1.2Fe_1.8O₄；Ni_0.8Fe_2.2O₄复合材料中（e）八面体晶粒和（f）多孔微球的EDS元素谱；（g-h）Ni_0.8Fe_2.2O₄复合材料的TEM和HRTEM图像

图4（a）Ni_0.6Fe_2.4O₄，（b）Ni_0.8Fe_2.2O₄，（c）Ni_1.0Fe_2.0O₄和（d）Ni_1.2Fe_1.8O₄的N₂吸附-解吸等温线和相应的BJH孔径分布

图5 Ni_xFe_3-xO₄复合材料的O 1s XPS图谱：（a）Ni_0.6Fe_2.4O₄，（b）Ni_0.8Fe_2.2O₄，（c）Ni_1.0Fe_2.0O₄，（d）Ni_1.2Fe_1.8O₄ 

图6 （a）Ni_xFe_3-xO₄（x=0.6、0.8、1.0和1.2）传感器在不同工作温度下对50 ppm丙酮的响应特性；Ni_xFe_3-xO₄传感器在最佳工作温度下对50 ppm丙酮的气体传感特性，包括（b）响应和导电类型，（c）响应和恢复时间，及（d）选择性；（e）相应的响应随相对湿度的变化（湿度室中的相对湿度环境为25℃）和（f）长期稳定 

图7 （a）Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器的动态响应曲线与亚ppm级丙酮浓度的函数关系；（b）响应与不同亚ppm级丙酮浓度之间的拟合关系；（c）Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器对1 ppm丙酮的循环稳定性曲线；（d）本工作与近几年金属氧化物半导体气体传感器对不同丙酮浓度的响应比较；（e）Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器对健康人和模拟糖尿病人呼出气体的呼气测试示意图 

图8 Ni_xFe_3-xO₄复合材料的丙酮传感机理示意图

总结与展望

综上所述，通过一步溶剂热法高效合成了异质结构的Ni_xFe_3-xO₄复合材料。Ni_xFe_3-xO₄复合材料的导电类型可通过镍含量进行调节。镍含量较低的Ni_xFe_3-xO₄复合材料（0.6≤x≤1.0）表现出n型导电特性，而镍含量较高的Ni_xFe_3-xO₄复合材料（x>1.0）时则表现出p型导电特性。基于Ni_0.8Fe_2.2O₄复合材料的传感器对50 ppm丙酮具有良好的传感性能，这可归咎于大量活性位点和独特异质结构的形成。同时，Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器能够区分亚ppm级别的低浓度丙酮，并在0.1-5.0 ppm的范围内对丙酮实现了良好的单调递增响应，这有望促进丙酮的定量分析从而实现诊断糖尿病。此外，Ni_0.8Fe_2.2O₄传感器还被进一步用于模拟呼气分析，通过响应差别可以区分健康人和糖尿病患者。这些结果表明，基于异质结构的Ni_xFe_3-xO₄复合材料的传感器在糖尿病诊断中具有很高的应用可行性。

作者及团队介绍

第一作者：廖祥健，男，五邑大学应用物理与材料学院2022级材料与化工硕士研究生。

通讯作者：黄爱萍，女，工学博士，教授级高级工程师、五邑大学教授，硕士生导师，中国电源学会磁技术专业委员会委员、中国电源学会会员、江门市一级高层次人才，《磁性材料及器件》青年编委。长期从事高性能软磁铁氧体材料研发及制造技术研究，科技成果“兼具双重特性高性能锰锌铁氧体材料”属于国际首创，开创了国内锰锌铁氧体新材料研究局部引领世界的先河，并实现了低成本产业化。主要研究方向：铁氧体、金属软磁及其复合材料的设计研发与制备技术；各类传感器（力学、气体、磁场等）的设计与应用研究。

通讯作者：刘贤哲，男，工学博士，讲师，硕士生导师，主持广东省基础与应用基础研究基金项目（青年基金项目和面上项目）2项和广东省普通高校特色创新项目1项；主要研究方向为：柔性传感材料和器件及其应用研究、新型光电材料与器件、喷墨印刷柔性电子器件。

通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。

附文献及DOI号：

Heterostructured Ni_xFe_3-xO₄ composites for sub-ppm acetone detection

DOI: 10.1016/j.snb.2025.137425