随着社会不断发展,经济水平不断提高,人们的生活方式和饮食习惯发生了巨大的转变,由此所带来的糖尿病患病数量和比例正在不断增加提高。目前,糖尿病病情的日常监测主要通过有创血糖检测仪,会给患者带来极大的身心负担。由于丙酮是糖尿病患者呼气中的重要生物标志物,呼气检测用丙酮气体传感器便成为一种十分有潜力的糖尿病无创检测装置。针对人体呼出气中湿度大,丙酮浓度低,气体组成复杂,呼气检测用丙酮气体传感器需要达到:1)湿度不敏感性;2)低至50 ppb的检出限;3)对丙酮的高选择性;4)较高稳定性等要求才能具有实际应用前景。近年来,以ZnO纳米棒阵列为代表的金属氧化物半导体（MOS）传感器得到广泛研究和应用。然而应用于呼气检测领域仍存在容易受湿度干扰、检测限难以达到ppb级,选择性差等瓶颈。与此同时,金属有机框架结构（MOF）这类新型功能材料具有可控的孔结构和大量未配对的活性金属位,可应用于气体检测领域。将MOF与MOS复合能够大幅提高传感器的气敏性能。本文主要基于ZnO@ZIF-71纳米棒阵列气敏材料,着眼解决呼气检测中的问题,建立MOF功能化气敏机制模型,获得普适性的气敏材料设计思路。首先探讨了呼气检测用功能化MOF材料的筛选思路,论证了MOF的疏水性、预浓缩及分子筛在气体检测中的作用。并通过合成ZnO@ZIF-71材料验证ZIF-71功能层能够提高ZnO气体传感器的湿度不敏感性和灵敏度。继而进一步通过引入活性金属离子和高分子分离膜调控ZnO@ZIF-71微结构,获得对丙酮高灵敏度高选择性传感材料,并将金属催化效应和高分子选择性分离与气敏性能建立联系,探究其催化气敏机制和扩散气敏机制,最终获得湿度不敏感、高灵敏度、高选择性且稳定的呼气检测用丙酮气体传感器。首先,依据MOF材料的性质及结构特征,本研究筛选了ZIF-71作为功能化MOF材料。通过对比不同MOF材料的热与化学稳定性,孔径大小与材料的气敏选择性的关联关系后,筛选出ZIF-71具有孔径合适的大小,可以避免较大分子气体干扰以提高丙酮选择性。并通过密度泛函理论对ZIF-71的孔结构与目标气体之间交互关系进行分析,从而预判ZIF-71具有提高气敏灵敏度的潜力。结合稳定性,湿度不敏感,选择性和灵敏度四个维度共同确定ZIF-71为适合呼气检测用功能化MOF材料。其次,针对材料筛选及预判结果,本研究通过自模板溶剂热法制备ZnO@ZIF-71纳米棒阵列,验证ZIF-71功能化包覆层起到提高气敏性能的作用。通过气敏性能测试,复合材料比未包覆的ZnO材料丙酮具有更高的响应值（提高100%）,更低的检出限（降低75%）,更快的响应与回复速率（提高48%和31%）,和湿度不敏感特性。并通过原位红外光谱及程序升温脱附测试,探索ZIF-71包覆与丙酮气敏性能之间构效关系后,证明ZIF-71结构中的金属位点对丙酮分子具有物理性吸附作用,继而实现对丙酮的预浓缩富集,使更高浓度丙酮气体与ZnO表面接触。通过建立预浓缩气敏机制,证明ZIF-71包覆层具有有效提高呼气检测用丙酮传感器性能的功能。再次,针对糖尿病呼气检测中丙酮浓度低的现象,本研究通过引入新的金属离子Co2+掺杂ZIF-71结构中调整ZnO@ZIF-71微结构,从金属离子催化活性的角度来提高了丙酮灵敏度,降低了检出限。通过比较不同工作温度下不同钴掺杂浓度材料的气敏性能,ZnO@ZIF-71（Co）-0.05纳米棒阵列比未掺杂材料的响应值提高了100倍,对1ppm丙酮气体响应值达到了12.5,实际检出极限达到了50 ppb。通过程序升温吸脱附及密度泛函理论计算,分析气敏反应过程中吸附氧的催化活化,丙酮气体的催化分解过程及分解产物在ZnO表面交互作用,建立了催化气敏机制。接下来,针对糖尿病呼气检测中乙醇干扰气体对丙酮检测的影响,采用气相沉积聚二甲基硅氧烷（PDMS）高分子纳米薄膜包覆ZnO@ZIF-71纳米棒结构极大提升了呼气丙酮检测中对乙醇的抗干扰能力。利用乙醇与丙酮在分离膜中的溶解扩散性能差异,实现了乙醇和丙酮气体的选择性分离,最终降低了乙醇的响应,提高了对丙酮的选择性。并通过分析乙醇和丙酮在PDMS中的溶解性及分子动力学计算模拟扩散过程及扩散系数,建立了扩散气敏机制。丙酮分子对于PDMS分子有更高的亲和力,导致更优的溶解性,并且乙醇分子与PDMS链段之间存在氢键作用力,导致乙醇比丙酮更难在PDMS膜内扩散,因此实现了丙酮和乙醇的选择性分离,提高气敏选择性。最后,结合多维度因素,本研究制备了ZnO@ZIF-71（Co）@PDMS纳米棒阵列结构,并综合评估了其作为呼气检测用丙酮传感器的各项指标:1)湿度条件下具有稳定的响应值;2)在250℃下对1 ppm丙酮的响应值达到12;且对丙酮的检出限低至50 ppb;3)对丙酮具有突出的选择性;4)具有良好的稳定性。最终得到了适合呼气检测用高灵敏度,高选择性,高稳定性及湿度不敏感性的丙酮气体传感器。