哈尔滨工业大学张甲团队：用于口腔呼气牙周炎诊断的室温H₂S传感器

研究背景

文章还进一步回答了“测到的H₂S从哪里来、能否真正反映牙周炎”的问题。研究团队培养牙周炎关键病原菌牙龈卟啉单胞菌，并同时使用气相色谱和Yb- Bi₂S₃传感器检测其释放气体，二者测得的H₂S浓度吻合。此外，传感器可定量检测在医院采集到的健康志愿者和牙周炎患者的口腔呼气样本，并有效区分健康人群与牙周炎患者及其患病程度，进一步集成为便携式牙周炎分析仪用于现场实时诊断。由此，一个从材料、机理、病原菌到临床验证的链条被完整串联起来。

图文导读

I 从“口气”里寻找牙周炎信号

牙周炎相关厌氧菌可代谢含硫氨基酸，产生H₂S、甲硫醇等挥发性硫化物。作者首先用气相色谱比较健康人群与牙周炎患者的口腔呼气，发现健康受试者H₂S峰值为10.4-36.5 ppb，而牙周炎患者可升高至116.2-191.2 ppb。这个差异提示：口腔呼气H₂S不仅是“口气问题”的化学来源，也可能是牙周炎筛查的可量化指标。基于此，作者设计了面向现场检测的H₂S传感方案，让传感器直接面对呼气样本，输出浓度信号。

图1.口腔致病菌产生H₂S及基于呼气H₂S的牙周炎现场诊断。

II Yb掺杂Bi₂S₃纳米带：让材料在室温下更敏锐 

图2展示了传感器的关键性能。不同掺杂比例中，Yb-Bi₂S₃-1.5%表现最优；在5-200 ppb范围内可清晰分辨低浓度H₂S，且响应与浓度线性良好。100 ppb H₂S下，该传感器20次循环响应稳定，40天内响应无明显衰减。对NH₃、CO₂、CO、H2以及多种挥发性有机物和挥发性硫化物的响应显著低于H₂S，说明其对口腔复杂气氛具有较强抗干扰能力。

图2. Yb-Bi₂S₃传感器在室温空气中对H₂S响应、重复性、长期稳定性、选择性等关键性能。

III Yb掺杂诱导的吸附和电荷转移增强机制

对于n型半导体气敏材料，空气中的氧会吸附在材料表面并捕获电子，形成耗尽层；当H₂S到来时，它与吸附氧发生反应并释放电子回到材料中，引起电阻变化。Yb掺杂后，材料表面氧负离子生成能力增强，硫空位等活性位点增加，H₂S更容易被吸附并发生反应。DFT计算进一步表明，Yb-Bi₂S₃对O₂的吸附能力提高148%，对H₂S的吸附能力提升1856%；其带隙由1.35 eV降低至1.12 eV。

图3. Bi₂S₃与Yb-Bi₂S₃的H₂S气敏机理及DFT计算结果。

IV 从牙龈卟啉单胞菌验证H₂S来源

牙龈卟啉单胞菌是牙周炎重要致病菌之一，可在牙周袋厌氧环境中分解含硫氨基酸并释放H₂S。作者培养该菌并采集其挥发性气体，使用气相色谱测得四组样本H₂S浓度分别为167、231、158和189 ppb；Yb-Bi₂S₃传感器测得159、217、153和164 ppb，相对偏差为3.16%-13.22%。这说明传感器不仅能在标准气体中工作，也能对真实生物来源H₂S进行定量响应。

图4. Yb-Bi₂S₃传感器验证牙龈卟啉单胞菌介导的H₂S产生。

V 走向现场：便携式牙周炎分析仪

在临床验证中，将传感器集成为检测模块，并对医院采集的志愿者口腔呼气样本进行检测，30名健康个体与30名牙周炎患者的统计结果显示，两组H₂S浓度有明显区分；洁治后患者H₂S水平显著下降。为验证未来用于现场临床诊断的潜力，将传感器集成于呼气检测仪中，检测仪由电源模块、限流阀、干燥管、传感模块等部分组成。受试者在统一指导下缓慢连续呼气，设备可读取H₂S浓度并在手机端显示结果以判断是否具有牙周炎及其患病程度，配合一次性吹嘴和可更换干燥管，有望用于社区筛查、家庭自测和治疗后随访。

图5. 基于Yb-Bi₂S₃传感器的口腔呼气H₂S检测、临床样本统计和便携式牙周炎分析仪。

VI 总结

本研究开发了基于Yb掺杂Bi₂S₃纳米带的室温H₂S传感器，并将其用于口腔呼气牙周炎诊断。相比传统依赖大型仪器的检测方法，该方案更接近真实应用：无需加热、响应快速、可便携集成，并能在临床呼气样本中区分健康人群和牙周炎患者。从机理上看，Yb掺杂通过诱导晶格畸变、增加表面缺陷、优化电子结构和强化H₂S吸附，显著提高了Bi₂S₃对ppb级H₂S的响应能力。材料性能、DFT计算、病原菌培养和临床样本验证形成相互支撑，使“呼气H₂S-牙周炎状态”这一诊断逻辑更加清晰。

当然，面向进一步临床转化，仍需要在更大样本、多中心人群、饮食和口腔卫生条件控制、长期校准等方面继续完善。但这项工作已经展示出一个很有想象力的方向：未来的牙周健康监测，也许可以从一次简单呼气开始。

郭平
本文第一作者

哈尔滨工业大学 博士生

▍主要研究领域用于极端环境检测的气体传感器研究。

▍主要研究成果

哈尔滨工业大学机电工程学院机械工程专业博士研究生，导师为张甲教授。主要面向地外天体挥发组分的检测需求，致力于研发真空、无氧、低温等多种极端环境下的气湿敏传感器，研发的传感器核心组件已应用于我国探月工程。此外，也面向人体呼气关联的疾病检测开发高灵敏便携式气体传感器。博士期间曾获得研究生国家奖学金、黑龙江省三好学生等荣誉。目前，以第一作者（含共一）在Nano-Micro Lett.、Int. J. Extreme Manuf.等期刊发表SCI论文7篇，其中5篇为中科院一区Top期刊，影响因子总计109.8。

张甲
本文通讯作者

哈尔滨工业大学 教授

▍主要研究领域功能器件微纳米制造及应用技术研究。

▍主要研究成果

哈尔滨工业大学 长聘教授/博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家，“机器人技术与系统”国家重点实验 固定成员。主要从事功能器件微纳米制造技术研究。包括：柔性电子器件及智能机器人传感器，智慧医疗微系统，极端环境传感器技术研究。主持国家重点研发计划项目/课题，国家有关部委项目，国家自然科学基金面上/青年项目；黑龙江省自然科学基金杰出青年基金，黑龙江重大科研计划/百千万工程/重点研发计划项目课题等30余项。在Nat. Electron.、Nat. Commun.等期刊上发表SCI论文100余篇，其中封面文章13篇，获黑龙江省科学技术一等奖2项、二等奖1项。研究成果应用于我国探月、探火等重大工程。

▍Email：zhangjia@hit.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 哈尔滨工业大学张甲团队：用于口腔呼气牙周炎诊断的室温H₂S传感器