青岛大学：开发超薄g-C3N5纳米片，提升室温NH3传感性能，助力肺部感染无创诊断

青岛大学：开发超薄g-C3N5纳米片，提升室温NH3传感性能，助力肺部感染无创诊断

氨（NH₃）作为一种重要的工业原料，同时也是一种具有潜在危害的气体，广泛应用于环境监测、工业安全以及医学诊断领域。在室温条件下，当环境中NH₃浓度超过25 ppm时，可能对健康造成严重威胁，包括对眼睛、皮肤和呼吸道的刺激，极端情况下甚至可能导致肺水肿或窒息。

除了工业用途，NH₃在人体代谢中也扮演着重要角色。作为氨基酸和蛋白质代谢的副产物，呼出气中的NH₃水平能够反映体内的生化状态，因此被视为一种非侵入性诊断的潜在生物标志物。肺部感染是呼吸系统中最常见的疾病之一，通常由细菌、病毒、真菌或非典型病原体引发，导致肺实质或肺间质的急性炎症。该病在儿童、老年人及免疫功能低下者中尤为常见，已成为全球公共卫生的重要挑战。早期诊断对于改善患者预后至关重要，但传统方法如胸部X光和微生物培养存在辐射风险、检测周期长和灵敏度不足等问题。

相比之下，呼出气分析提供了一种快速、无创且经济的替代方案。研究表明，肺部感染患者的呼出气中NH₃浓度显著升高，这与呼吸道内的微生物代谢和炎症反应密切相关，使其成为一种潜在的诊断指标。

为提升NH₃检测的性能，研究人员已尝试多种材料。金属氧化物半导体（如SnO₂和WO₃）虽然具有较高的灵敏度和稳定性，但其工作温度较高，导致能耗大且选择性差。金属有机框架（MOFs）具备高比表面积和可调孔结构，展现出良好的气体选择性，但其导电性低且易受水分影响，限制了实际应用。导电聚合物（如聚苯胺和聚吡咯）支持室温操作并易于制备柔性器件，但长期稳定性较差。碳纳米材料（如石墨烯和碳纳米管）虽具有高导电性和大比表面积，但易发生团聚且选择性不足。

在这一背景下，石墨相氮化碳（g-C₃N₅）因其独特的结构和性能，成为研究热点。该材料具有类石墨烯的层状结构、可调控的电子特性以及丰富的氮活性位点，对NH₃分子表现出较强的吸附能力。其sp²杂化形成的π共轭骨架有助于电荷的高效传输与分离，而富氮表面则增强了与NH₃等给电子气体的相互作用。与g-C₃N₄相比，g-C₃N₅具有更窄的带隙、更宽的可见光吸收范围以及更高的氮含量，这些特性共同促进了电子转移，使其在室温NH₃传感领域展现出广阔前景。

然而，块体g-C₃N₅仍存在比表面积低、层间电荷传输受限以及活性位点暴露不足等问题，限制了其传感性能。为解决这些问题，将材料剥离为超薄纳米片成为一种有效的策略。

研究亮点

1. 本研究采用3-氨基-1,2,4-三唑热聚合制备块体g-C₃N₅，并通过硫酸辅助插层-剥离方法，成功制备出平均厚度约为1.7 nm的超薄g-C₃N₅纳米片。该方法简便且具备可扩展性，有效调控了材料的电子结构，并最大程度暴露了富氮活性位点，从而提升了表面吸附能力和电荷转移效率。

2. 所制备的g-C₃N₅纳米片在室温下表现出优异的NH₃传感性能，包括22.27 ppm⁻¹的高灵敏度、27 ppb的低检测限，以及在复杂气体环境中的良好选择性。

3. 将g-C₃N₅纳米片集成于柔性多孔基底上，显著提升了器件的机械稳定性和气体扩散效率，确保其在弯曲状态和长期使用中仍能稳定运行。

4. 更重要的是，该传感器能够通过分析呼出气中的NH₃水平，有效区分肺部感染患者与健康个体，展现出在无创临床诊断中的应用潜力。

图文解析

图1. (a) 从B-C₃N₅到N-C₃N₅的合成策略示意图。(b–d) B-C₃N₅的SEM图像(b)、TEM图像(c)和AFM图像(d)。(e–g) N-C₃N₅的SEM图像(e)、TEM图像(f)和AFM图像(g)。

图2. (a–f) B-C₃N₅和N-C₃N₅的XRD图谱(a)、FTIR光谱(b)、氮气吸附-脱附等温线(c)、紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）漫反射光谱(d, e)及光致发光（PL）光谱(f)。(g–i) B-C₃N₅和N-C₃N₅的XPS光谱：全谱(g)、N 1s XPS光谱(h)和C 1s XPS光谱(i)。

图3. (a) 柔性N-C₃N₅传感器制备工艺示意图。(b, c) AF织物(b)和AF/N-C₃N₅(c)的SEM图像。(d) 基于不同剥离方法制备的N-C₃N₅柔性传感器的响应。(e) 基于柔性AF织物和Ag/Cr陶瓷不同基底的N-C₃N₅传感器的响应及相应照片。(f) 基于B-C₃N₅、N-C₃N₅(l)和N-C₃N₅(s)的柔性传感器的四次循环响应。(g) 基于柔性AF和A4基底的N-C₃N₅传感器的响应，展示了AF在形成均匀薄膜方面的优势。(h) N-C₃N₅传感器在不同温度下老化后的响应。

图4. (a) B-C₃N₅和N-C₃N₅传感器在室温下对20 ppm NH₃的瞬态响应曲线。(b) B-C₃N₅和N-C₃N₅传感器吸附-脱附动力学的模拟结果。(c) 动态循环测试中 N-C₃N₅传感器的响应曲线和响应时间。(d) N-C₃N₅传感器对不同浓度 NH₃的响应曲线。(e) N-C₃N₅传感器对 0.5–100 ppm 浓度范围内不同气体的响应及理论检测限。(f) N-C₃N₅传感器在六种不同浓度下对 NH₃、C₃H₆O、C₂H₆O 和 C₃H₈O 混合气体的响应。(g) N-C₃N₅传感器对多种 20 ppm 目标气体的响应。(h) N-C₃N₅传感器与既往报道传感器在 NH₃传感性能方面的对比。

图5. (a) N-C₃N₅传感器在不同弯曲角度及 2000 次弯曲循环后的光学照片。(b) N-C₃N₅传感器在 0° 和 180° 弯曲状态下，以及在 2000 次弯曲循环前后的响应曲线（弯曲角度 = 180°）。(c) 传感器在不同弯曲角度下的响应值。(d) N-C₃N₅传感器在不同弯曲循环次数后的响应值。(e) N-C₃N₅传感器的长期稳定性响应曲线。(f) N-C₃N₅传感器的长期稳定性。(g) N-C₃N₅传感器在不同湿度条件下的响应。

图6. (a) 传感器对患者及健康人呼出气样品的响应。(b) 患者与健康人呼气响应值的箱线图。(c) 传感器响应数据的核密度估计 (KDE) 图。(d) 传感器对来自 13 名健康个体和 13 名肺部感染患者的呼出气样品的响应。

审核编辑 黄宇