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

2022-11-04 來源：高分子科技

化學傳感器在食品安全、生命健康、環境監測等方面都起著非常重要的作用。相較溫度與力學傳感，化學傳感面臨一個巨大的挑戰：化學物質的種類繁多。傳統方法應用的同時，新的化學傳感方法也在快速發展。

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

圖1 工作原理

該團隊以鋁作為探測電極，驗證了化學傳感的基本原理和RC測量電路的設計準則，精準且穩定地測量了FeCl₃溶液中Fe³⁺離子的濃度，最小探測濃度達10^-9 M（圖2）。此外，他們通過在鋁探測電極表面共價嫁接擁有羧基的聚丙烯酸（polyacrylic acid）聚合物鏈，實現了選擇性化學傳感（圖3）。

圖2 以鋁為探測電極的化學傳感

圖3 選擇性化學傳感

該團隊還測量了工業廢水中常見重金屬離子和有機分子的濃度（圖4）。值得指出的是，該傳感器對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Fe³⁺離子的靈敏度高出了6個數量級。

圖4 金屬離子和有機分子的測量

最后，該團隊設計了針狀的探測電極，對液滴和生物組織（金桔）進行了化學測量（圖5）。

圖5 針狀探測電極用于化學傳感

鎖志剛教授團隊與賈坤副教授團隊合作報道了一種基于離字-電子界面的化學傳感器，深入系統地研究了其工作原理和基本特性，實現了選擇性傳感和可穿戴傳感，并展示了其廣泛的應用前景。該研究為化學傳感器的設計提供了指導，為化學傳感在可穿戴設備、可植入設備、生物電子學等領域的應用奠定了基礎。

這項研究工作以Chemical sensing by interfacial voltage為題發表于Cell Reports Physical Science。王葉成博士（哈佛大學博士、博士后）和張舒文博士（西安交通大學副教授）為論文共同第一作者，第三作者為白陽（西安交通大學研究生）。美國科學院院士、美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授和西安交通大學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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（責任編輯：xu）

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