用于早期肺癌患者呼气物筛查的双功能化石墨烯-碳泡沫气敏传感器研究

Lung cancer has become the No. one killer in the worldwide and early screening is considered an effective way to reduce lung cancer mortality, while the study of combining with the breath test and lung cancer screening being a new challenge. For this insight, from the sensitivity, selectivity, operating temperature and speed of response/recovery facets to solve the existing problems based nano-materials sensors using in lung cancer breath tests, the trace VOCs of exhale breath marks from the early stage lung cancer patients were investigated using the sensors based on SnO2 and Co3O4 bi-functional graphene-carbon foam(GN-CF). The project intends to combine with the analysis method of electro-chemistry sensing and begin with building new nano-composite structure, focusing on the structure of the interface of sensing materials, barrier height, exposed high-energy and the synergistic effect to the influence of swift transferring and coupling of freedom electronics, revealing the assembling procedure of new materials and its sensing mechanism, exploring the application value of the new sensing materials in the breath testing. Not only provide the final sensors based on SnO2-Co3O4 / GN-CF for early screening of patients with lung cancer, but also lay a foundation for the breath detection technology based on nano-materials sensor.

肺癌成为全球头号癌症杀手，早期筛查被认为是降低肺癌死亡率的有效手段，将呼气物成分检测与肺癌筛查相结合是传感研究中一项新的挑战。针对于此，本项目以早期肺癌患者呼气标志物为研究对象，以SnO2和Co3O4共同功能化的新型石墨烯-碳泡沫(GN-CF)传感器为工具，对呼气中痕量VOCs气体进行检测，从灵敏度、选择性、工作温度和响应/恢复速度方面解决现有纳米材料传感器在肺癌呼气检测中存在的问题。本项目拟结合电化学传感的分析方法，从构建新型传感材料入手，重点研究复合材料界面结构、势垒高度、高能晶面暴露以及协同效应对传感过程中自由电子的有效转移和加速耦合的影响，揭示新型材料的复合机制和呼气检测中的传感机理，探索新型传感材料在呼气检测中的应用价值。为最终制备出基于SnO2-Co3O4/GN-CF的传感器，用于早期肺癌诊断提供可能，同时也为基于纳米材料传感器的呼气检测技术研究奠定基础。

呼气检测技术是近年来新兴的非进入式(无损)早期癌症患者检测技术，通过被测者的正常呼吸就可以实现对其是否患病进行初步诊断。与现有价格昂贵的大型仪器检测技术相比，呼气检测可以使被测者避免辐射影响，减免穿刺取样的痛苦。它不仅融合了气敏传感技术，还融合了纳米材料制备及人工智能算法是一项极具发展潜力的研究课题。.本项目在现有呼气检测传感器的基础上提出制备一种基于新型双功能化石墨烯-碳泡沫纳米材料的传感器用于肺癌患者的呼气物筛查，期待实现肺癌患者的早发现、早治疗。围绕这一目标，项目负责人与团队成员逐步开展研究，具体内容如下：首先制备具有三维结构的石墨烯-碳泡沫交联支撑纳米材料，并对交联材料的自组装过程及复合机理进行了研究。通过使用不同目数和不同制备方法氧化石墨烯作为原材料实现了氧化石墨烯材料在碳泡沫结构中均匀分布，同时对“再生长”氧化石墨烯的层数进行了控制，解决了石墨烯材料在室温下自然干燥急剧收缩的问题；其次以呼气物中痕量气体为研究目标，制备了二维Co3O4片层结构复合三维碳泡沫纳米材料，Co3O4纳米线复合中空碳球纳米材料，三维石墨烯-碳泡沫交联碳材料支撑的SnO2纳米晶纳米材料及CuO纳米管和立方体纳米材料。在干燥气体环境下分别对呼气物中的乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳等痕量气体进行了传感研究，分析了新型材料在呼气检测中的传感机理，取得了大量试验数据和研究成果；最后在研究过程中我们也发现了呼气检测传感器的不足与需要完善的地方，我们正沿着这个研究方向继续努力，为这项检测技术能够尽早的进入临床试验提供更扎实的理论基础和有效办法。.项目执行过程中取得的部分研究成果已经在国内外权威学术期刊和会议上进行了发表，其中包括SCI论文4篇，EI论文1篇，会议论文1篇。在项目执行过程中还申请了发明专利1项；培养硕士生5名。在理论上，本项目促进了呼气检测技术的不断更新，拓展了将更多的气敏材料应用于呼气检测，推动了石墨烯-碳复合材料气体传感理论的发展。在应用方面，本项目正继续研制呼气检测的手持式设备，为今后投入临床试验做好积极的准备。