提高比色阵列气体传感器灵敏度的中空多孔结构
检测呼出气中的挥发性有机化合物（VOC）是疾病诊断的一个有前景的研究领域。传质行为对于确定VOC的检测性能起着至关重要的作用。然而，呼出气体的高流动性给传质过程带来了巨大的挑战。
作者通过对气体流动的纹影成像揭示了流动气体分子在不同微观结构上的传质行为。结果表明，空心多孔结构比固体膜和微孔结构具有更高的气体流量。单组分和多组分分析显示H-ZIF-8/染料CASs具有最显著的色度和稳定的检测性能。流体动力学的理论模型和模拟结果解释了流动气体分子传质的基本原理。使用基于H-ZIF-8/dye CASs面罩的便携式比色传感装置对肺癌患者和健康人的呼出气样本进行采样，得到的色差图和PCA结果显示肺癌患者和健康人的呼出气样本具有显著的区分度。这种结构设计的成功为高灵敏度、高迁移率的气体分子检测创造了机会，在肺癌的早期筛查和人类呼出气中VOCs的健康监测方面显示出巨大的潜力。
图1 各种结构模型的流动气体传质机理。a - c)固体膜结构(a)、微孔结构(b)、空心多孔结构(c)。i)通过气体流动示意图(左)和纹影成像(右)来揭示各种传感结构的传质行为。ii)流动气体传质机理示意图;右:单个渠道模式。p0S是在来流方向上垂直于CAS表面的压力。2r1和2r2是微孔和大孔结构的直径，Δl1和Δl2是通过该通道的流动气体的单位长度，p1P, p1H和p2P, p2H分别是ZIF-8和H-ZIF-8结构开始和推进一个单位长度的压力。iii)流动气体中三种不同传感器结构反应物浓度的COMSOL模拟。
图2 ZIF-8及H-ZIF-8 NMs的形态结构表征。a) ZIF-8和H-ZIF-8的合成路线；b,c)合成的ZIF-8
(b)和H-ZIF-8 (c)的TEM图像。d) ZIF-8和H-ZIF-8的XRD图像。e) ZIF-8和H-ZIF-8在77
K到1 bar的氮吸附等温线。通过Horvath-Kawazoe法计算ZIF-8和H-ZIF-8的孔径分布(插图)。ZIF-8的BET表面积为1493 m2 g−1,H-ZIF-8为186 m2 g−1。
图3 CASs的单组分和多组分检测。a) 3种CASs暴露于800 ppm
EDA蒸汽前后的色差图。b)三种CASs对EDA水汽的LOD(插图:低浓度区域相关放大图);采用指数函数拟合曲线，R2 1 = 0.9937, R2 2 =
0.9979, R2 3 = 0.9960;3σ1 = 3.4059, 3σ2 = 3.1791, 3σ3 = 2.2961。c)基于化学响应性染料的结构设计中不同比色方法的LOD比较。d,e)比较多组分VOC气体的三种CASs的ED值(d)和色差图(e)(与图S7，支持信息相关)。f) 3种不同气体成分CASs的RSD
(com.)。g)评估H-ZIF-8/dye CASs在不同湿度、CO2 (5% in N2)和空气环境下的干扰响应。对于(b)， (d)和(g)，数据以平均值±标准差表示，分析结果的样本量，n = 3。
图4 一种便携式比色传感装置和临床样本分析。a)制作一种基于面罩的便携式比色传感装置，用于检测呼出气中的VOCs。右侧示意图为检测模块和传感器芯片的三维分布结构。胶层是3m公司生产的双面胶带。b)连续4 d不同时间对H-ZIF-8/dye CASs在健康人呼吸试验中的干扰误差进行分析。数据以均数±标准差表示，样本量为分析结果，n = 4。c)健康人群和肺癌患者呼出气PCA检测结果。
