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哈佛大學(xué)鎖志剛教授與西安交大賈坤副教授《Cell Rep. Phys. Sci.》：基于離子-電子界面的化學(xué)傳感器

2022-11-04 來源：高分子科技

化學(xué)傳感器在食品安全、生命健康、環(huán)境監(jiān)測等方面都起著非常重要的作用。相較溫度與力學(xué)傳感，化學(xué)傳感面臨一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：化學(xué)物質(zhì)的種類繁多。傳統(tǒng)方法應(yīng)用的同時(shí)，新的化學(xué)傳感方法也在快速發(fā)展。

最近，哈佛大學(xué)鎖志剛教授與西安交通大學(xué)賈坤副教授合作開發(fā)了一種基于離子-電子界面的化學(xué)傳感器。該傳感器的傳感單元由電解質(zhì)、探測電極和介電層組成（圖1）。當(dāng)表面涂有介電層和受體（receptor）的探測電極與含有分析物（analyte）的電解質(zhì)接觸時(shí)，分析物物理吸附在受體上，從而產(chǎn)生隨分析物濃度變化的界面電壓。通過計(jì)量外設(shè)RC電路中的充放電電荷可實(shí)現(xiàn)界面電壓的精準(zhǔn)測量。在該傳感器中，探測電極可以選擇任意電子導(dǎo)體，這在簡化制造工藝的同時(shí)大大加快了受體-分析物配對(duì)的篩選過程。該化學(xué)傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、自供電等優(yōu)良特性，同時(shí)還能進(jìn)行選擇性傳感。另外，他們還展示了該傳感器在可穿戴設(shè)備、柔性生物電子等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖1 工作原理

該團(tuán)隊(duì)以鋁作為探測電極，驗(yàn)證了化學(xué)傳感的基本原理和RC測量電路的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，精準(zhǔn)且穩(wěn)定地測量了FeCl₃溶液中Fe³⁺離子的濃度，最小探測濃度達(dá)10^-9 M（圖2）。此外，他們通過在鋁探測電極表面共價(jià)嫁接擁有羧基的聚丙烯酸（polyacrylic acid）聚合物鏈，實(shí)現(xiàn)了選擇性化學(xué)傳感（圖3）。

圖2 以鋁為探測電極的化學(xué)傳感

圖3 選擇性化學(xué)傳感

該團(tuán)隊(duì)還測量了工業(yè)廢水中常見重金屬離子和有機(jī)分子的濃度（圖4）。值得指出的是，該傳感器對(duì)Fe³⁺離子具有超高的靈敏度，可以探測到10^-17 M的超低濃度。這比常用來測量血跡的魯米諾測試對(duì)Fe³⁺離子的靈敏度高出了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 金屬離子和有機(jī)分子的測量

最后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了針狀的探測電極，對(duì)液滴和生物組織（金桔）進(jìn)行了化學(xué)測量（圖5）。

圖5 針狀探測電極用于化學(xué)傳感

鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)與賈坤副教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種基于離字-電子界面的化學(xué)傳感器，深入系統(tǒng)地研究了其工作原理和基本特性，實(shí)現(xiàn)了選擇性傳感和可穿戴傳感，并展示了其廣泛的應(yīng)用前景。該研究為化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，為化學(xué)傳感在可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、生物電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究工作以Chemical sensing by interfacial voltage為題發(fā)表于Cell Reports Physical Science。王葉成博士（哈佛大學(xué)博士、博士后）和張舒文博士（西安交通大學(xué)副教授）為論文共同第一作者，第三作者為白陽（西安交通大學(xué)研究生）。美國科學(xué)院院士、美國工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授和西安交通大學(xué)賈坤副教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101119

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（責(zé)任編輯：xu）

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