Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu chế tạo ô xít kim loại $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ nhằm ứng dụng cho cảm biến hơi hợp chất hữu cơ" của tác giả Nguyễn Hồng Hanh được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Chử Mạnh Hưng và GS. Nguyễn Đức Hòa tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, hoàn thành năm 2021 với sự tài trợ từ Quỹ Đổi mới sáng tạo (VINIF).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cảm biến khí nhạy hơi hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) đóng vai trò thiết yếu trong quan trắc môi trường và đang mở ra hướng ứng dụng mới trong y học chẩn đoán không xâm lấn thông qua phân tích hơi thở con người. Trong số các bệnh mãn tính nguy hiểm, đái tháo đường đang gia tăng nhanh chóng. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), toàn cầu có khoảng 422 triệu người trưởng thành mắc đái tháo đường với 4,2 triệu ca tử vong mỗi năm (chiếm 11,3% tổng số ca tử vong ở độ tuổi 20–79), trong đó 46,2% số ca tử vong xảy ra ở người trên 60 tuổi. Liên đoàn Đái tháo đường Quốc tế (IDF) ghi nhận năm 2019 có 135,6 triệu người từ 65–99 tuổi mắc bệnh (chiếm 19,3%) và dự báo tăng lên 276,2 triệu người vào năm 2045. Tại Việt Nam, có đến 70% số người mắc đái tháo đường không phát hiện được tình trạng bệnh của mình.

Phương pháp chẩn đoán lâm sàng hiện nay vẫn dựa vào xét nghiệm máu ("tiêu chuẩn vàng"), gây đau đớn và bất tiện cho bệnh nhân phải lấy máu nhiều lần trong ngày. Trong khi đó, quá trình chuyển hóa chất béo không hoàn toàn do thiếu insulin ở bệnh nhân tiểu đường làm tích tụ thể ketone, khiến nồng độ acetone trong hơi thở của người bệnh tăng cao rõ rệt: ở người khỏe mạnh, nồng độ acetone dưới 0,9 ppm; ở người mắc bệnh tiểu đường, nồng độ dao động từ 0,9 đến 1,8 ppm, và ở trường hợp nặng có thể lên tới vài chục ppm. Vì vậy, acetone được xem là dấu ấn sinh học tin cậy để chẩn đoán bệnh tiểu đường tuýp 2 qua hơi thở.

Khoảng trống nghiên cứu thực tế nằm ở chỗ các cảm biến khí thương mại hiện nay chỉ đo được acetone trong khoảng 50–5000 ppm, hoàn toàn nằm ngoài ngưỡng nồng độ vết trong hơi thở. Các cảm biến sử dụng ô xít kim loại bán dẫn đơn nguyên truyền thống ($\text{SnO}_2, \text{ZnO}, \text{TiO}_2, \text{In}_2\text{O}_3, \text{Fe}_2\text{O}_3, \text{WO}_3, \text{CuO}, \text{NiO}$) bộc lộ nhược điểm là độ nhạy thấp, tính chọn lọc kém và thiếu ổn định ở dải nồng độ thấp. Các hệ thống phân tích hiện đại như sắc ký khí khối phổ (GC-MS, PTR-MS, SIFT-MS) lại cồng kềnh, phân tích chậm và chi phí quá cao. Tại Việt Nam, hầu hết các nhóm nghiên cứu chỉ tập trung vào cảm biến phát hiện khí độc; các nghiên cứu hiếm hoi về khí VOCs thì ngưỡng phát hiện còn quá cao (từ hàng chục đến hàng trăm ppm), quy trình chế tạo lại phức tạp. Do đó, yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải phát triển vật liệu ô xít đa nguyên có cấu trúc nano xốp, rỗng nhằm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, kết hợp chức năng hóa bề mặt bằng kim loại quý để chế tạo cảm biến có giới hạn phát hiện dưới mức ppm, độ chọn lọc cao và nhiệt độ làm việc thấp.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết ba mục tiêu chính được đánh số trong văn bản:

  1. Tổng hợp thành công một số cấu trúc nano của vật liệu ô xít kim loại bán dẫn $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ với các hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt trên cơ sở thay đổi các điều kiện chế tạo khác nhau như: nhiệt độ thủy nhiệt, độ pH, và thay đổi khối lượng chất hoạt động bề mặt.
  2. Khảo sát và so sánh tính chất nhạy khí của các loại cảm biến trên đối với các loại khí VOCs là acetone, ethanol, và methanol; từ kết quả đó đưa ra được hướng lựa chọn cấu trúc hình thái để chế tạo cảm biến khí có độ đáp ứng cao, độ nhạy và độ chọn lọc cao đặc biệt với khí acetone.
  3. Biến tính thành công hạt nano Pt trên bề mặt vật liệu bán dẫn $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ bằng phương pháp nhỏ trực tiếp, khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật liệu nano $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ biến tính hạt Pt đối với khí acetone, từ đó phát triển cảm biến acetone độ nhạy cao ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiểu đường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu ô xít kim loại bán dẫn ba nguyên $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ (ZTO) với các hình thái cấu trúc nano: dạng hạt nano, dạng khối lập phương rỗng, dạng khối bát diện rỗng (với bề mặt dạng hạt và dạng tấm); hạt nano Platin (Pt); màng nhạy khí và linh kiện cảm biến khí dựa trên $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ nguyên chất và biến tính $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$; các khí VOCs mục tiêu khảo sát (acetone, ethanol, methanol).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất hình thái của vật liệu bán dẫn $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ bằng phương pháp thủy nhiệt (thay đổi pH, nhiệt độ, chất hoạt động bề mặt Pluronic P-123).
    • Nội dung 2: Chế tạo cảm biến và khảo sát tính chất nhạy khí VOCs (acetone, ethanol, methanol) của các hình thái $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ điển hình.
    • Nội dung 3: Chế tạo hạt nano Pt bằng phương pháp khử hóa học (polyol), biến tính hạt Pt lên bề mặt khối bát diện rỗng $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ bằng phương pháp nhỏ trực tiếp, khảo sát ảnh hưởng của nồng độ biến tính Pt nhằm tối ưu hóa cảm biến nhạy acetone.
    • Không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cảm biến nano thuộc Viện ITIMS - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, phối hợp cùng Phòng KT & CN Ảnh Nhiệt - Viện Vật lý Kỹ thuật - Viện KH-CN Quân sự; các kết quả hoàn thành và bảo vệ trong năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả điểm lại

Tác giả đã hệ thống hóa lịch sử phân tích hơi thở từ thời Hippocrates, qua mốc định danh acetone là dấu ấn sinh học tiểu đường của John Gallo năm 1857, công bố của Linus Pauling năm 1971 phát hiện 250 hợp chất trong hơi thở, cho đến các nghiên cứu hiện đại xác định khoảng 3500 hợp chất VOCs (Konvalina và cộng sự đã lập bản đồ 54 loại khí VOCs liên quan đến 17 bệnh lý chính).

Trên thế giới, các hướng nghiên cứu cảm biến khí VOCs sử dụng vật liệu ô xít kim loại bán dẫn (MOS) được phát triển mạnh mẽ nhằm thay thế các vật liệu polymer dẫn (POM) và vật liệu gốc cacbon (CbM):

  • Jang (Đại học Quốc gia Seoul) chế tạo ống nano $\text{SnO}_2$ biến tính hạt nano Pt bằng phương pháp phun tĩnh điện, cho độ đáp ứng cao nhất với acetone so với $\text{H}_2\text{S}, \text{C}_7\text{H}_8, \text{C}5\text{H}{12}, \text{CO}, \text{NO}, \text{NH}_3, \text{CH}_4, \text{H}_2$.
  • Kim và cộng sự phát triển sợi nano $\text{WO}_3$ biến tính Pt, Pd, Rh bằng phun tĩnh điện và nung nhiệt độ cao, nhận thấy sợi nano $\text{Pt-WO}_3$ nhạy cao nhất với acetone, toluen và $\text{H}_2\text{S}$ ở 1 ppm.
  • Haick và cộng sự (Israel) sử dụng cảm biến mảng hạt nano vàng để chẩn đoán ung thư phổi, vú, đại trực tràng và tuyến tiền liệt nhưng độ nhạy còn hạn chế.
  • Han và cộng sự chế tạo khối cầu $\text{In}_2\text{O}_3$ dạng hoa bằng phương pháp thủy nhiệt phát hiện isoprene ở mức 5 ppb.
  • Jinyu Huang và cộng sự tổng hợp thanh nano ZnO pha tạp Au, Pd bằng thủy nhiệt hỗ trợ vi sóng, có khả năng phát hiện acetone ở dải ppb.
  • Cho và cộng sự chế tạo quả cầu $\text{SnO}_2$ phân cấp có lỗ rỗng biến tính Pt ($\text{Pt-PH-SnO}_2$) phát hiện acetone mức ppb.
  • Kim và cộng sự dùng mẫu kép polystyrene và ống nano cacbon đa vách (MWCNTs) tạo sợi nano $\text{WO}_3$ xốp phân cấp nạp Apo-Pt ($0{,}05\text{ wt.%}$), nhạy acetone tốt ở độ ẩm lên tới 90%.
  • Zhang và cộng sự nung tiền chất Prussian Blue tạo hạt $\text{Fe}_2\text{O}_3$ lập phương biến tính Pt bằng $\text{NaBH}_4$, tăng độ đáp ứng acetone từ 3,1 lên 25,7 ở 139 °C.
  • Nghiên cứu bán dẫn loại p: Soo-Yeon Cho và cộng sự khảo sát NiO, $\text{Co}_3\text{O}_4$, MnO, trong đó NiO đạt độ đáp ứng 30 tại 1 ppm hexane; Jong-Heun Lee và cộng sự chế tạo quả cầu rỗng NiO pha tạp Nb phát hiện p-xylene (độ đáp ứng 1752 tại 5 ppm) và toluene (607).
  • Hướng vật liệu ô xít ba nguyên: Geyu Lu và cộng sự (Đại học Cát Lâm) tổng hợp vi cầu $\text{NiFe}_2\text{O}_4$ xốp nhạy acetone (độ đáp ứng 27,4 tại 100 ppm ở 250 °C, giới hạn phát hiện 200 ppb); $\text{ZnFe}_2\text{O}_4$ xốp dạng khuôn cứng; $\text{NiFe}_2\text{O}_4$ bát diện và lõi-vỏ rỗng; Xiao Wang chế tạo hạt nano $\text{ZnO/ZnFe}_2\text{O}_4$ rỗng từ khung $\text{Fe(III)MOF-5}$ (đáp ứng 25,8 tại 100 ppm acetone ở 290 °C); Yu Hu tổng hợp $\text{ZnO/ZnFe}_2\text{O}_4$ lõi-vỏ hình quả vải (đáp ứng 33,6 ở 100 ppm acetone tại 280 °C); Xiaowei Li tổng hợp dị thể sợi nano $\text{ZnO/ZnFe}_2\text{O}_4\text{/Au}$.
Tác giả / Nhóm nghiên cứu Cấu trúc vật liệu Khí mục tiêu Hiệu suất cảm biến ghi nhận
Jang [67] Ống nano $\text{Pt-SnO}_2$ Acetone Chọn lọc tốt hơn so với $\text{H}_2\text{S}, \text{CO}, \text{CH}_4$
Han và cộng sự [70] Khối cầu $\text{In}_2\text{O}_3$ dạng hoa Isoprene Giới hạn phát hiện 5 ppb
Kim và cộng sự [68] Sợi nano $\text{Pt-WO}_3$ Acetone, Toluen Nhạy ở nồng độ 1 ppm
Jinyu Huang và cộng sự [71] Thanh nano ZnO pha tạp Au, Pd Acetone Phát hiện ở mức ppb
Cho và cộng sự [72] Quả cầu rỗng $\text{Pt-PH-SnO}_2$ Acetone Phát hiện mức ppb
Zhang và cộng sự [74] Hạt lập phương $\text{Pt-Fe}_2\text{O}_3$ Acetone Đáp ứng tăng từ 3,1 lên 25,7 (ở 139 °C)
Soo-Yeon Cho và cộng sự [76] Màng NiO (bán dẫn loại p) Hexane Độ đáp ứng $\Delta R / R_a = 30$ tại 1 ppm
Jong-Heun Lee và cộng sự [78] Quả cầu rỗng NiO pha tạp Nb p-Xylene, Toluen Đáp ứng 1752 với p-xylene (5 ppm)
Geyu Lu và cộng sự [79] Vi cầu $\text{NiFe}_2\text{O}_4$ xốp Acetone Đáp ứng 27,4 tại 100 ppm (LOD 200 ppb)
Xiao Wang và cộng sự [86] Khối nano rỗng $\text{ZnO/ZnFe}_2\text{O}_4$ Acetone Đáp ứng 25,8 tại 100 ppm ở 290 °C
Yu Hu và cộng sự [87] Cấu trúc lõi-vỏ $\text{ZnO/ZnFe}_2\text{O}_4$ Acetone Đáp ứng 33,6 tại 100 ppm ở 280 °C

Tại Việt Nam, các nghiên cứu công bố của PGS. Chu Văn Tuấn (polypyrrole nhạy $\text{NH}_3$), GS. Nguyễn Đức Chiến và PGS. Đặng Đức Vượng ($\text{Fe}_2\text{O}_3, \text{NiO}, \text{WO}_3, \text{SnO}_2$ nhạy khí độc), GS. Nguyễn Văn Hiếu (ô xít kim loại một chiều nhạy khí độc), TS. Nguyễn Đức Cường ($\text{Fe}_2\text{O}_3, \text{NiO}, \text{Co}_3\text{O}_4$ bằng hóa ướt nhạy khí độc), TS. Hồ Trường Giang (perovskite điện hóa) đều tập trung vào khí độc. Hướng nghiên cứu khí VOCs mới chỉ có PGS. Nguyễn Văn Quy với vật liệu $\text{Fe}_2\text{O}_3\text{/SiO}_2$ trên cân vi tinh thể thạch anh nhưng nồng độ đo thấp nhất còn cao (90 ppm ethanol, 200 ppm acetone); nhóm PGS. Nguyễn Minh Vương (Đại học Quy Nhơn) chế tạo cấu trúc phân cấp ZnO biến tính Au, Pt, Ni bằng quy trình kết hợp phun tĩnh điện và thủy nhiệt phức tạp, song cảm biến ZnO biến tính Ni chỉ nhạy ở nồng độ acetone rất cao (lên đến 18000 ppm ở 280 °C).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án xác định khoảng trống lớn giữa nhu cầu phát hiện acetone nồng độ thấp (dưới mức ppm) phục vụ chẩn đoán bệnh tiểu đường và năng lực thực tế của các cảm biến trong nước (nồng độ phát hiện còn ở mức hàng trăm đến hàng chục nghìn ppm). Tác giả lựa chọn vật liệu ô xít ba nguyên $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ (chất bán dẫn loại n có độ linh động điện tử cao, trơ hóa học, ổn định nhiệt) để phát triển quy trình thủy nhiệt một bước đơn giản nhằm tạo ra các cấu trúc rỗng (khối lập phương rỗng, khối bát diện rỗng) nhằm tăng diện tích riêng bề mặt, đồng thời ứng dụng phương pháp nhỏ trực tiếp hạt nano Pt để biến tính bề mặt, khắc phục nhược điểm về nhiệt độ làm việc cao và độ nhạy thấp của ô xít nguyên chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình giải thích

Luận án vận dụng lý thuyết vùng năng lượng của chất bán dẫn ô xít kim loại loại n và mô hình hình thành lớp nghèo điện tử (Electron Depletion Layer - EDL) dưới cơ chế hấp phụ oxy bề mặt:

  • Trong không khí sạch, các phân tử oxy có ái lực điện tử mạnh ($0{,}43\text{ eV}$) bị hấp phụ lên bề mặt ô xít và bẫy các điện tử dẫn từ bên trong vật liệu: $$\text{O}{2\text{ (gas)}} \rightarrow \text{O}{2\text{ (ads)}}$$ Tùy theo nhiệt độ làm việc, các ion oxy hóa trị khác nhau được tạo thành trên bề mặt: $\text{O}_2^-$ chiếm ưu thế ở nhiệt độ $< 150\text{ }^\circ\text{C}$; $\text{O}^-$ chiếm ưu thế ở khoảng $150 \div 400\text{ }^\circ\text{C}$; và $\text{O}^{2-}$ chiếm ưu thế ở nhiệt độ $> 400\text{ }^\circ\text{C}$. Quá trình này hình thành cấu trúc "vỏ - lõi điện tử" (core-shell), tạo ra lớp nghèo điện tử có bề dày tương đương chiều dài Debye ($L_D$), làm cong vùng năng lượng và nâng cao rào thế năng tại các ranh giới hạt: $$L_D = \sqrt{\frac{\varepsilon k_B T}{q^2 N_d}}$$ Trong đó $\varepsilon$ là hằng số điện môi, $k_B$ là hằng số Boltzmann, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối, $q$ là điện tích nguyên tố và $N_d$ là nồng độ hạt tải donor.
  • Khi tiếp xúc với khí khử VOCs ở nhiệt độ thích hợp, các phân tử khí phản ứng với ion oxy hấp phụ bề mặt, giải phóng điện tử quay trở lại vùng dẫn, làm giảm bề dày lớp EDL, hạ thấp chiều cao rào thế và làm giảm điện trở của cảm biến:
    • Phản ứng với methanol: $$\text{CH}_3\text{OH} + 4\text{O}^- \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4\text{e}^-$$
    • Phản ứng với acetone: $$\text{CH}_3\text{COCH}_3 + 8\text{O}^- \rightarrow 3\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O} + 8\text{e}^-$$
  • Cơ chế cải thiện độ nhạy khi biến tính hạt nano Platin (Pt) được luận án giải thích thông qua:
    1. Hiệu ứng xúc tác hóa học (hiệu ứng tràn - spillover effect): Hạt nano Pt xúc tác phân tách phân tử oxy và phân tử khí VOCs thành các nguyên tử/gốc tự do hoạt tính cao rồi tràn sang bề mặt nền $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$, làm giảm đáng kể năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
    2. Hiệu ứng xúc tác điện tử: Do sự chênh lệch công thoát giữa kim loại quý Pt và bán dẫn $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$, rào thế Schottky được hình thành tại bề mặt tiếp xúc kim loại - bán dẫn, làm mở rộng lớp nghèo điện tử EDL trong không khí sạch, tạo ra sự biến thiên điện trở lớn hơn khi tiếp xúc với khí phân tích.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Chế tạo vật liệu $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$: Tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng các tiền chất kẽm và thiếc, điều chỉnh độ pH, nhiệt độ thủy nhiệt và khối lượng chất hoạt động bề mặt dạng copolymer khối Pluronic P-123 để định hình cấu trúc.
  • Chế tạo hạt nano Pt: Tổng hợp bằng phương pháp polyol (khử hóa học muối tiền chất Platin trong ethylene glycol).
  • Biến tính bề mặt: Sử dụng kỹ thuật nhỏ trực tiếp (drop-casting) dung dịch chứa hạt nano Pt lên màng vật liệu $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ bát diện rỗng với các tỷ lệ khối lượng xác định (mẫu đối chứng $\text{Pt0-ZTO}$, và các mẫu biến tính $\text{Pt5-ZTO}$, $\text{Pt10-ZTO}$, $\text{Pt20-ZTO}$).
  • Công cụ phân tích cấu trúc và hình thái:
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) để đánh giá hình thái, kích thước hạt và độ rỗng.
    • Nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc (SAED) và giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc pha tinh thể.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS/EDX) và phổ quang điện tử tia X (XPS) để phân tích thành phần nguyên tố, trạng thái hóa trị ($\text{Zn 2p, O 1s, Sn 3d}$).
    • Tán xạ Raman và quang phổ huỳnh quang (PL) để đánh giá sai hỏng mạng tinh thể và khuyết tật oxy.
    • Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ (BET) để tính diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước mao quản.
  • Hệ đo đặc trưng điện và nhạy khí:
    • Đo đặc trưng dòng - điện áp (I-V) tại các nhiệt độ 350 °C, 400 °C, 450 °C; xây dựng đồ thị Arrhenius biểu diễn $\ln(I)$ theo $1/T$ để xác định năng lượng hoạt hóa.
    • Đo tính chất nhạy khí bằng phương pháp tĩnh (static system) trên hệ đo chuyên dụng của nhóm iSensors tại Viện ITIMS, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Cảm biến được gắn trên đế có điện cực Pt răng lược tích hợp bộ gia nhiệt vi cơ; điện trở của cảm biến được thu nhận qua mạch phân áp nối tiếp với điện trở tải ($R_L$) thích hợp. Độ đáp ứng khí khử được tính theo tỷ số $S = R_a / R_g$ ($R_a$: điện trở trong không khí, $R_g$: điện trở trong môi trường khí cần đo).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cảm biến khí VOCs

Chương này thiết lập cơ sở lý thuyết tổng thể và tổng thuật tài liệu nghiên cứu:

  • Trình bày nguồn gốc, vai trò của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong hơi thở người với tư cách là các chỉ dấu sinh học (biomarkers) phản ánh bệnh lý hô hấp và rối loạn chuyển hóa. Luận án phân tích chi tiết bệnh đái tháo đường, chỉ rõ mối liên hệ giữa sự thiếu hụt insulin, quá trình phân giải mỡ tạo thể ketone và sự gia tăng nồng độ acetone trong khí thở ra ($> 1{,}8\text{ ppm}$ ở bệnh nhân tiểu đường so với $< 0{,}9\text{ ppm}$ ở người bình thường).
  • Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp phân tích hơi thở hiện nay. Tác giả chỉ rõ các phương pháp quang phổ và sắc ký khối phổ (GC-MS, PTR-MS) tuy chính xác nhưng giá thành cao, thiết bị lớn, không đáp ứng yêu cầu theo dõi liên tục thời gian thực. Cảm biến khí bán dẫn kiểu thay đổi điện trở được xác định là hướng tiếp cận phù hợp nhất nhờ kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, phản hồi nhanh và khả năng tích hợp vào các thiết bị IoT chăm sóc sức khỏe cầm tay.
  • Hệ thống hóa ba nhóm vật liệu nhạy VOCs chính (MOX, POM, CbM), trong đó khẳng định ô xít kim loại bán dẫn (MOX) chiếm ưu thế áp đảo trong các công bố khoa học từ năm 2015 đến 2020.
  • Trình bày chi tiết cơ chế nhạy khí của bán dẫn loại n và bán dẫn loại p, sự hình thành lớp vỏ EDL và lớp tích lũy lỗ trống (HAL), phương trình tính chiều dài Debye ($L_D$) và các phản ứng oxy hóa khử bề mặt với methanol, ethanol, acetone.
  • Giới thiệu vật liệu $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ – cấu trúc tinh thể spinel nghịch đảo, độ rộng vùng cấm lớn, độ linh động điện tử cao và độ bền hóa - nhiệt vượt trội. Chương 1 khép lại bằng việc phân tích cơ chế biến tính kim loại quý (Au, Ag, Pd, Pt) nhằm nâng cao độ đáp ứng và hạ nhiệt độ làm việc của cảm biến MOS.

Chương 2: Chế tạo vật liệu Zn2SnO4 với hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt và quy trình chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu Zn2SnO4

Chương này mô tả chi tiết toàn bộ quy trình thực nghiệm, trang thiết bị và hóa chất:

  • Liệt kê hệ thống thiết bị thực nghiệm: cân điện tử, máy khuấy từ, máy đo pH, bình thủy nhiệt autoclave lót Teflon, lò ủ nhiệt, máy ly tâm và máy rung siêu âm.
  • Xây dựng quy trình thủy nhiệt tổng hợp các cấu trúc $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$: điều chỉnh nhiệt độ phản ứng, thời gian, độ pH của dung dịch tiền chất chứa muối $\text{Zn}^{2+}$ và $\text{Sn}^{4+}$, cùng việc sử dụng chất hoạt động bề mặt Pluronic P-123. Sự chuyển pha micelle của P-123 theo nhiệt độ và nồng độ được khai thác có định hướng để kiểm soát quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể, tạo ra 4 dạng hình thái: hạt nano đặc, khối lập phương rỗng, khối bát diện rỗng bề mặt dạng hạt, và khối bát diện rỗng bề mặt dạng tấm.
  • Quy trình chế tạo hạt nano Pt: thực hiện bằng phương pháp polyol, sử dụng ethylene glycol vừa làm dung môi vừa làm chất khử muối tiền chất Platin ở nhiệt độ kiểm soát, tạo ra các hạt nano Pt có kích thước đồng đều.
  • Quy trình chế tạo cảm biến: vật liệu nền $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ được phân tán thành huyền phù, quét/nhỏ phủ lên đế cách điện đã được tạo sẵn hệ điện cực Pt răng lược (interdigitated electrode). Đối với cảm biến biến tính, dung dịch hạt nano Pt được nhỏ trực tiếp lên bề mặt màng $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ theo các tỷ lệ khối lượng xác định trước khi xử lý nhiệt.
  • Thiết lập hệ đo đặc trưng nhạy khí tĩnh chuyên dụng tại Viện ITIMS, bao gồm buồng đo kín, hệ thống bơm vi lượng đưa hơi khí VOCs mục tiêu vào buồng, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, nguồn nuôi lò vi nhiệt và mạch phân áp ghi nhận điện trở động của cảm biến.

Chương 3: Hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí của vật liệu Zn2SnO4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt

Chương này công bố và thảo luận các kết quả nghiên cứu đối với vật liệu $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ nguyên chất:

  • Hình thái và vi cấu trúc: Ảnh SEM và TEM xác nhận việc chế tạo thành công ba dạng hình thái rõ rệt: dạng hạt nano có kích thước nhỏ nhưng kết tụ đặc; dạng khối lập phương rỗng với khoang rỗng bên trong rõ nét; và dạng khối bát diện rỗng có thành xốp. Giản đồ XRD chứng minh các mẫu đều kết tinh pha tinh thể $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ đơn pha, không lẫn pha tạp $\text{ZnO}$ hay $\text{SnO}_2$. Kết quả BET khẳng định cấu trúc bát diện rỗng có diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn nhất. Phổ XPS toàn dải và phân giải cao của Zn 2p, Sn 3d, O 1s làm rõ trạng thái liên kết và sự hiện diện của các khuyết tật oxy trên bề mặt.
  • Tính chất điện: Phép đo đường đặc trưng I-V ở các nhiệt độ 350 °C, 400 °C và 450 °C cho thấy sự phụ thuộc tuyến tính (tiếp xúc ohmic). Đồ thị Arrhenius biểu diễn $\ln(I)$ theo $1/T$ chỉ ra độ dốc khác biệt giữa các cấu trúc, phản ánh rào thế năng và năng lượng hoạt hóa dẫn điện của từng loại hình thái.
  • Tính chất nhạy khí VOCs: Tiến hành thử nghiệm với ba loại khí khử gồm acetone, ethanol và methanol:
    • Cả ba loại cảm biến (hạt nano, lập phương rỗng, bát diện rỗng) đều cho độ đáp ứng tăng dần theo nồng độ khí và đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ hoạt động tối ưu 450 °C.
    • Cảm biến cấu trúc bát diện rỗng thể hiện độ đáp ứng vượt trội hoàn toàn so với mẫu lập phương rỗng và mẫu hạt nano đối với cả ba loại khí.
    • Phép đo nồng độ thấp và tính toán giới hạn phát hiện (LOD) cho thấy cảm biến bát diện rỗng có khả năng phát hiện acetone ở nồng độ dưới mức ppm.
    • Khảo sát độ chọn lọc tại 450 °C khẳng định cảm biến bát diện rỗng có độ đáp ứng với acetone cao hơn rõ rệt so với ethanol và methanol.
    • Cảm biến bát diện rỗng duy trì độ lặp lại chu kỳ ngắn ổn định, độ trôi điện trở thấp sau nhiều chu kỳ đo, độ ổn định lâu dài tốt; khảo sát ảnh hưởng độ ẩm cho thấy độ đáp ứng có xu hướng giảm nhẹ khi độ ẩm môi trường tăng.
    • Cơ chế nhạy khí được luận giải dựa trên cấu trúc bát diện rỗng: thành ngoài xốp với diện tích tiếp xúc lớn cùng khoang rỗng bên trong tạo điều kiện cho các phân tử khí khuếch tán sâu vào cả hai mặt trong - ngoài của thành hạt, tối đa hóa thể tích lớp nghèo điện tử EDL tham gia phản ứng.

Chương 4: Nghiên cứu biến tính bề mặt vật liệu Zn2SnO4 bằng hạt nano Pt nhằm cải thiện khả năng nhạy khí acetone cho cảm biến

Chương này tập trung vào giải pháp nâng cao hiệu suất cảm biến thông qua chức năng hóa bề mặt bằng nano Platin:

  • Đặc trưng hạt nano Pt và lựa chọn hình thái nền: Ảnh TEM xác định các hạt Pt chế tạo bằng phương pháp polyol có dạng hình cầu, kích thước nano mét phân tán đều. Giản đồ XRD và phổ EDX khẳng định pha tinh thể Platin kim loại có độ tinh khiết cao. Khi so sánh giữa hai loại cấu trúc bát diện rỗng (bề mặt dạng hạt và bề mặt dạng tấm), kết quả đo nhạy khí acetone cho thấy mẫu bát diện rỗng bề mặt dạng hạt có điện trở nền thích hợp và độ đáp ứng cao hơn, do đó được lựa chọn làm vật liệu nền để biến tính Pt.
  • Hình thái và vi cấu trúc vật liệu $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$: Ảnh SEM, TEM độ phân giải cao và bản đồ ánh xạ nguyên tố EDS xác nhận các hạt nano Pt được phân bố đồng đều, bám dính chắc chắn trên bề mặt các khối bát diện rỗng $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$. Giản đồ XRD, EDX và phổ Raman của mẫu biến tính $\text{Pt10-ZTO}$ so với mẫu nguyên chất $\text{Pt0-ZTO}$ cho thấy cấu trúc mạng tinh thể nền của $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ được bảo toàn nguyên vẹn sau quá trình biến tính.
  • Hiệu suất cảm biến nhạy acetone:
    • Khảo sát các mẫu với hàm lượng biến tính Pt khác nhau: $\text{Pt0-ZTO}$ ($0\text{ wt.%}$), $\text{Pt5-ZTO}$ ($5\text{ wt.%}$), $\text{Pt10-ZTO}$ ($10\text{ wt.%}$), và $\text{Pt20-ZTO}$ ($20\text{ wt.%}$). Mẫu $\text{Pt10-ZTO}$ đạt hiệu suất cảm biến tối ưu nhất.
    • Nhiệt độ làm việc tối ưu của cảm biến $\text{Pt10-ZTO}$ giảm mạnh xuống 350 °C (thấp hơn 100 °C so với nhiệt độ 450 °C của cảm biến $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ nguyên chất). Tại nhiệt độ này, độ đáp ứng với acetone tăng cao vượt bậc so với mẫu chưa biến tính.
    • Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến $\text{Pt10-ZTO}$ được rút ngắn rõ rệt. Đồ thị radar thể hiện độ chọn lọc tuyệt đối của cảm biến $\text{Pt10-ZTO}$ đối với acetone khi đặt cạnh các khí gây nhiễu trong hỗn hợp khí phức tạp.
    • Cảm biến có khả năng đo chính xác ở nồng độ acetone rất thấp; tính toán giới hạn phát hiện đạt mức ppb, hoàn toàn đáp ứng ngưỡng yêu cầu chẩn đoán bệnh tiểu đường trong hơi thở ($< 1{,}8\text{ ppm}$).
    • Cảm biến $\text{Pt10-ZTO}$ thể hiện độ lặp lại xuất sắc qua 10 chu kỳ đo liên tiếp, độ ổn định lâu dài kiểm tra sau 4 tháng vẫn duy trì tín hiệu đo tin cậy; kiểm tra trên 5 cảm biến độc lập chế tạo trong cùng điều kiện ($\text{S6} \div \text{S10}$) cho thấy độ đồng đều điện trở động và độ đáp ứng rất cao.
    • Cơ chế nâng cao độ nhạy của cảm biến $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$ được khẳng định thông qua mô hình xúc tác tràn (spillover) của Platin kết hợp với hiệu ứng điện tử tạo rào tiếp xúc Schottky, thúc đẩy mạnh mẽ quá trình bắt giữ oxy và oxy hóa nhanh phân tử acetone ở nhiệt độ thấp hơn.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và công nghệ

Theo công bố của luận án, các đóng góp mới bao gồm:

  1. Làm chủ quy trình chế tạo vật liệu nano đa hình thái: Tổng hợp thành công vật liệu nano ô xít kim loại bán dẫn ba nguyên $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ với nhiều hình thái cấu trúc khác nhau (dạng hạt nano, khối lập phương rỗng, khối bát diện rỗng có bề mặt dạng hạt và dạng tấm) bằng phương pháp thủy nhiệt một bước đơn giản, thông qua việc kiểm soát nhiệt độ, độ pH và nồng độ chất hoạt động bề mặt Pluronic P-123. Toàn bộ quy trình công nghệ được thiết lập và thực hiện hoàn toàn dựa trên điều kiện trang thiết bị và hóa chất tại Việt Nam.
  2. Khám phá mối tương quan hình thái - tính chất nhạy khí: Xác định được cấu trúc khối bát diện rỗng $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ có diện tích riêng bề mặt lớn và cấu trúc mao quản xốp thuận lợi nhất cho quá trình khuếch tán khí, đem lại độ đáp ứng và độ chọn lọc cao nhất với khí acetone trong số các khí VOCs khảo sát.
  3. Phát triển kỹ thuật biến tính nano Pt bằng phương pháp nhỏ trực tiếp: Biến tính thành công các hạt nano Platin lên bề mặt khối bát diện rỗng $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ bằng phương pháp nhỏ trực tiếp đơn giản, phân tán đồng đều mà không làm phá vỡ cấu trúc nền.
  4. Cải thiện vượt bậc các thông số kỹ thuật của cảm biến acetone: Cảm biến trên cơ sở vật liệu $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$ (tỷ lệ tối ưu $\text{Pt10-ZTO}$) đã nâng cao mạnh mẽ độ đáp ứng, rút ngắn thời gian phản hồi/hồi phục, hạ nhiệt độ làm việc tối ưu từ 450 °C xuống 350 °C, đồng thời đạt giới hạn phát hiện ở dải nồng độ thấp (dưới mức ppm), đáp ứng đầy đủ tiêu chí kỹ thuật để phát hiện dấu ấn sinh học acetone trong phân tích hơi thở.
  5. Năng suất công bố khoa học: Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong 05 bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI và 02 bài báo trên tạp chí Khoa học và Công nghệ uy tín trong nước (trong đó có 01 công trình báo cáo tại Hội nghị khoa học).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất ứng dụng cảm biến màng nano $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$ vào việc phát triển các thiết bị phân tích hơi thở cầm tay ứng dụng công nghệ IoT, phục vụ việc sàng lọc, chẩn đoán sớm và theo dõi chỉ số sức khỏe định kỳ cho bệnh nhân đái tháo đường một cách không xâm lấn.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa quy trình chế tạo hàng loạt nhằm giảm thiểu sai số giữa các mẻ sản xuất, hướng tới thương mại hóa linh kiện cảm biến khí sản xuất hoàn toàn tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận từ văn bản

  • Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường: Kết quả khảo sát thực nghiệm trong luận án chỉ ra rằng độ ẩm môi trường có ảnh hưởng làm suy giảm độ đáp ứng của cảm biến đối với khí acetone (tương tự như đặc tính chung của hầu hết các cảm biến MOS khi phân tử nước cạnh tranh vị trí hấp phụ oxy bề mặt).
  • Phạm vi thử nghiệm khí: Các phép đo nhạy khí mới được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm bằng hệ đo khí tĩnh với các mẫu khí pha loãng tiêu chuẩn, chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên mẫu hơi thở lâm sàng thực tế thu nhận từ người bệnh (vốn chứa hỗn hợp khí thở phức tạp với độ ẩm bão hòa cao).
  • Nhiệt độ hoạt động: Mặc dù biến tính Pt đã giúp hạ nhiệt độ làm việc tối ưu từ 450 °C xuống 350 °C, mức nhiệt độ này vẫn đòi hỏi tiêu thụ năng lượng nhất định từ bộ vi gia nhiệt, cần tiếp tục nghiên cứu để hạ nhiệt độ làm việc xuống thấp hơn nữa.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu các giải pháp màng lọc chọn lọc hoặc vật liệu kỵ nước tích hợp nhằm ngăn ngừa tác động tiêu cực của độ ẩm cao trong hơi thở lên bề mặt màng nhạy khí.
  • Tiến hành các thử nghiệm đo đạc lâm sàng trên mẫu hơi thở thực tế của bệnh nhân tiểu đường và người khỏe mạnh để chuẩn hóa thuật toán xử lý tín hiệu và đánh giá độ chính xác chẩn đoán thực tế.
  • Tích hợp cảm biến màng $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$ với mạch vi điều khiển và mô-đun truyền thông không dây để chế tạo hoàn chỉnh thiết bị phân tích hơi thở di động kết nối IoT.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Vật liệu, Vật lý Kỹ thuật, Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Nano: Bản luận án cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp hóa học ướt (thủy nhiệt, polyol) điều khiển hình thái hạt nano và kỹ thuật phân tích vi cấu trúc toàn diện.
  • Các nhóm nghiên cứu về cảm biến khí và linh kiện bán dẫn: Luận án cung cấp các số liệu thực nghiệm, mô hình mạch đo điện trở động, phương pháp phân tích đặc trưng I-V, phương trình Arrhenius và cơ chế phản ứng bề mặt giữa ô xít bán dẫn với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.
  • Kỹ sư phát triển thiết bị y tế và hệ thống quan trắc IoT: Cung cấp giải pháp chế tạo cảm biến khí acetone có độ nhạy cao, kích thước vi mô, hoạt động ổn định và giá thành thấp để tích hợp vào các thiết bị y tế chẩn đoán bệnh không xâm lấn.

Các phần có giá trị tham khảo học thuật cao

  • Quy trình tổng hợp thủy nhiệt có kiểm soát hình thái ở Chương 2: Mô tả chi tiết việc sử dụng chất hoạt động bề mặt Pluronic P-123 để tạo ra các cấu trúc rỗng (lập phương rỗng, bát diện rỗng), là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu tổng hợp vật liệu vô cơ xốp.
  • Phương pháp biến tính hạt nano Platin bằng kỹ thuật nhỏ trực tiếp ở Chương 2 và Chương 4: Một giải pháp công nghệ đơn giản, dễ thực hiện, kiểm soát được tỷ lệ khối lượng mà không cần hệ thống thiết bị phức tạp như phún xạ hay lắng đọng lớp nguyên tử.
  • Hệ thống phân tích vi cấu trúc và phân tích cơ chế nhạy khí ở Chương 3 và Chương 4: Mẫu mực về phương pháp luận kết hợp giữa các phép đo hình thái (SEM, TEM), cấu trúc mạng (XRD, Raman), trạng thái hóa học bề mặt (XPS, EDS) và diện tích bề mặt (BET) để giải thích tường minh cơ chế cảm biến điện trở.

Câu hỏi thường gặp

1. Dấu ấn sinh học acetone trong hơi thở có ý nghĩa như thế nào trong chẩn đoán bệnh tiểu đường?

Ở người bình thường sử dụng glucose làm nguồn năng lượng chính, nồng độ acetone trong khí thở ra rất thấp (nhỏ hơn 0,9 ppm). Ở bệnh nhân đái tháo đường, do cơ thể thiếu hụt insulin, chất béo bị phân giải để thay thế glucose, tạo ra sản phẩm phụ chuyển hóa là các thể ketone (bao gồm acetone, acetoacetate, beta-hydroxybutyrate). Acetone là chất dễ bay hơi khuếch tán từ máu qua màng phế nang vào phổi và thoát ra ngoài qua hơi thở. Nồng độ acetone trung bình ở người mắc bệnh tiểu đường dao động từ 0,9 đến 1,8 ppm, và ở bệnh nhân tiểu đường nặng có thể lên tới vài chục ppm. Vì vậy, acetone được xem là chỉ số định lượng sinh học tin cậy để chẩn đoán không xâm lấn bệnh tiểu đường tuýp 2.

2. Luận án đã tổng hợp được những hình thái cấu trúc nào của vật liệu Zn2SnO4 và dạng nào cho hiệu suất cảm biến tốt nhất?

Bằng phương pháp thủy nhiệt với việc điều chỉnh nhiệt độ, độ pH và nồng độ chất hoạt động bề mặt Pluronic P-123, luận án đã chế tạo thành công 4 dạng hình thái: dạng hạt nano đặc, dạng khối lập phương rỗng, dạng khối bát diện rỗng bề mặt dạng hạt, và dạng khối bát diện rỗng bề mặt dạng tấm. Trong các mẫu chưa biến tính, cấu trúc khối bát diện rỗng cho độ đáp ứng nhạy khí và độ chọn lọc cao nhất với acetone nhờ sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn nhất, thành hạt xốp và khoang rỗng bên trong cho phép các phân tử khí khuếch tán sâu vào cả hai mặt tiếp xúc.

3. Việc biến tính hạt nano Pt lên bề mặt Zn2SnO4 mang lại những cải tiến kỹ thuật cụ thể nào?

Quá trình biến tính hạt nano Platin mang lại ba cải tiến kỹ thuật nổi bật:

  • Tăng mạnh độ đáp ứng: Phản ứng của màng cảm biến với khí acetone tăng cao rõ rệt so với mẫu $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ nguyên chất.
  • Hạ thấp nhiệt độ làm việc tối ưu: Nhiệt độ hoạt động giảm 100 °C (từ 450 °C xuống 350 °C), giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ cho lò vi nhiệt.
  • Rút ngắn thời gian đáp ứng và hồi phục: Tốc độ bắt giữ khí và nhả khí diễn ra nhanh chóng hơn nhờ hiệu ứng xúc tác tràn (spillover) và rào thế Schottky do Platin tạo ra trên bề mặt bán dẫn.

4. Tỷ lệ biến tính Pt nào được xác định là tối ưu và độ ổn định lâu dài của cảm biến ra sao?

Luận án đã khảo sát các tỷ lệ biến tính khối lượng Pt gồm 0 wt.% ($\text{Pt0-ZTO}$), 5 wt.% ($\text{Pt5-ZTO}$), 10 wt.% ($\text{Pt10-ZTO}$) và 20 wt.% ($\text{Pt20-ZTO}$). Kết quả thực nghiệm xác định mẫu $\text{Pt10-ZTO}$ ($10\text{ wt.% Pt}$) đạt hiệu suất nhạy khí cao nhất ở nhiệt độ 350 °C. Cảm biến $\text{Pt10-ZTO}$ thể hiện độ lặp lại xuất sắc qua 10 chu kỳ đo liên tiếp và duy trì tính ổn định tín hiệu rất cao sau 4 tháng bảo quản và thử nghiệm lại.

5. Hệ đo và các kỹ thuật thực nghiệm chính nào đã được tác giả sử dụng để đánh giá tính chất cảm biến?

Luận án sử dụng hệ đo nhạy khí tĩnh chuyên dụng tại Viện ITIMS - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tích hợp mạch phân áp với điện trở tải $R_L$ tự động điều chỉnh và buồng thử nghiệm khí chuẩn. Màng cảm biến được khảo sát trên đế điện cực Pt răng lược có lò vi nhiệt. Các đặc trưng điện và nhạy khí được xác định gồm đường cong I-V, đồ thị Arrhenius $\ln(I) - 1/T$, điện trở động theo thời gian, độ đáp ứng theo nồng độ khí, giới hạn phát hiện (LOD), độ chọn lọc trong hỗn hợp khí, độ ổn định chu kỳ ngắn/dài hạn và ảnh hưởng của độ ẩm môi trường.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Hồng Hanh đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ chế tạo vật liệu ô xít kim loại bán dẫn ba nguyên $\text{Zn}_2\text{SnO}_4$ với các cấu trúc nano rỗng bằng phương pháp thủy nhiệt và kỹ thuật biến tính hạt nano Platin bằng phương pháp nhỏ trực tiếp. Cảm biến khí màng nano $\text{Pt-Zn}_2\text{SnO}_4$ với tỷ lệ 10 wt.% Pt thể hiện độ đáp ứng vượt trội, độ chọn lọc cao với khí acetone ở dải nồng độ thấp dưới mức ppm, đồng thời hạ nhiệt độ làm việc tối ưu xuống 350 °C và duy trì độ ổn định lâu dài trên 4 tháng. Toàn bộ các kết quả thực nghiệm được thực hiện đồng bộ tại Việt Nam, cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ vững chắc hướng tới ứng dụng cảm biến khí bán dẫn trong các thiết bị y tế IoT chẩn đoán không xâm lấn bệnh đái tháo đường qua phân tích hơi thở.