青岛大学：研究具有增强电荷转移性能的超薄g-C3N5纳米片，用于室温NH3传感及基于呼气的肺部感染诊断

氨（NH3）既是重要的工业原料，也是一种有害气体，因其在环境监测、工业安全和医学诊断中的关键作用而备受关注。在室温下，暴露于浓度超过 25 ppm 的 NH3环境中会对健康构成严重威胁，包括刺激眼睛、皮肤和呼吸系统，严重时甚至可能导致肺水肿或窒息。除了工业应用外，NH3也是一种重要的生理生物标志物。作为与氨基酸和蛋白质代谢相关的关键产物，呼出气中的 NH3反映了人体内的生化过程，已成为一种极具潜力的非侵入性疾病诊断指标。肺部感染是呼吸系统最常见的感染性疾病，由细菌、病毒、真菌或非典型病原体入侵引起，表现为肺实质或肺间质的急性炎症。它仍然是一项重大的公共卫生挑战，尤其是在儿童、老年人和免疫功能低下者等易感人群中。早期准确的诊断对于改善临床预后至关重要。然而，传统的诊断技术（如胸部 X 光检查和微生物培养）存在辐射暴露、结果滞后和灵敏度不足等局限性。相比之下，呼出气分析为疾病筛查提供了一种非侵入性、快速且经济高效的替代方案。值得注意的是，研究发现肺炎患者的呼出气中 NH3水平升高，这源于呼吸道内的微生物代谢和炎症过程，从而使 NH3成为一种潜在的诊断生物标志物。

迄今为止，人们已探索了多种用于 NH3检测的材料。传统的金属氧化物半导体（如 SnO2 和 WO3）具有高灵敏度和高稳定性，但其高工作温度导致能耗巨大且选择性较差。金属有机框架（MOFs）具有超高比表面积和可调孔隙结构，展现出优异的气体选择性，但其固有的低电导率和较差的水稳定性限制了实际应用。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，但往往存在长期稳定性较差的问题。 碳纳米材料（包括石墨烯和碳纳米管）虽具有高导电性和大比表面积，但常受限于材料团聚及固有选择性不足等问题。这些挑战凸显了开发兼具高灵敏度、快速响应、强选择性及室温下高稳定性的NH3传感材料的迫切需求。在此背景下，石墨相氮化碳（g-C3N5）作为一种极具潜力的室温气体传感材料备受关注。得益于其类石墨烯层状结构、可调控的电子特性以及高密度的氮活性位点，g-C3N5对NH3分子表现出极强的吸附亲和力。由sp2杂化形成的扩展π共轭骨架促进了电荷的高效传输与分离，而富氮表面则增强了材料与NH3等给电子气体之间的特异性相互作用。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。因此，它在开发高性能NH3传感器方面展现出广阔的应用前景。然而，块体g-C3N5仍存在比表面积低、层间电荷传输受阻以及活性位点暴露不足等固有缺陷，从而限制了其气体传感性能。为应对这些挑战，将材料剥离为超薄纳米片已被广泛视为一种提升表面可及性并优化电子特性的有效策略。

本文亮点

1. 本工作利用由3-氨基-1,2,4-三唑热聚合制得的块体g-C3N5，通过一种简便且可规模化生产的硫酸辅助插层-剥离策略，成功制备了平均厚度约为1.7 nm的超薄石墨相氮化碳（g-C3N5）纳米片。剥离过程有效调控了材料的电子结构，并最大程度地暴露了富氮活性位点，从而增强了表面吸附能力并加速了电荷转移。

2. 得益于此，所制备的g-C3N5纳米片表现出优异的室温氨气（NH3）传感性能，具有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下的出色选择性。

3. 值得注意的是，将g-C3N5纳米片集成到柔性多孔基底上，赋予了器件卓越的机械稳定性和高效的气体扩散能力，确保了其在弯曲状态及长期使用过程中的可靠运行。

4. 更重要的是，该传感器展现出通过呼气分析区分肺部感染患者与健康人群的能力，凸显了其在无创临床诊断领域的应用潜力。

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