哈佛大学锁志刚教授与西安交大贾坤副教授《Cell Rep. Phys. Sci.》：基于离子-电子界面的化学传感器

2022-11-04 来源：高分子科技

化学传感器在食品安全、生命健康、环境监测等方面都起着非常重要的作用。相较温度与力学传感，化学传感面临一个巨大的挑战：化学物质的种类繁多。传统方法应用的同时，新的化学传感方法也在快速发展。

最近，哈佛大学锁志刚教授与西安交通大学贾坤副教授合作开发了一种基于离子-电子界面的化学传感器。该传感器的传感单元由电解质、探测电极和介电层组成（图1）。当表面涂有介电层和受体（receptor）的探测电极与含有分析物（analyte）的电解质接触时，分析物物理吸附在受体上，从而产生随分析物浓度变化的界面电压。通过计量外设RC电路中的充放电电荷可实现界面电压的精准测量。在该传感器中，探测电极可以选择任意电子导体，这在简化制造工艺的同时大大加快了受体-分析物配对的筛选过程。该化学传感器具有灵敏度高、响应快、自供电等优良特性，同时还能进行选择性传感。另外，他们还展示了该传感器在可穿戴设备、柔性生物电子等领域的应用前景。

图1 工作原理

该团队以铝作为探测电极，验证了化学传感的基本原理和RC测量电路的设计准则，精准且稳定地测量了FeCl₃溶液中Fe³⁺离子的浓度，最小探测浓度达10^-9 M（图2）。此外，他们通过在铝探测电极表面共价嫁接拥有羧基的聚丙烯酸（polyacrylic acid）聚合物链，实现了选择性化学传感（图3）。

图2 以铝为探测电极的化学传感

图3 选择性化学传感

该团队还测量了工业废水中常见重金属离子和有机分子的浓度（图4）。值得指出的是，该传感器对Fe³⁺离子具有超高的灵敏度，可以探测到10^-17 M的超低浓度。这比常用来测量血迹的鲁米诺测试对Fe³⁺离子的灵敏度高出了6个数量级。

图4 金属离子和有机分子的测量

最后，该团队设计了针状的探测电极，对液滴和生物组织（金桔）进行了化学测量（图5）。

图5 针状探测电极用于化学传感

锁志刚教授团队与贾坤副教授团队合作报道了一种基于离字-电子界面的化学传感器，深入系统地研究了其工作原理和基本特性，实现了选择性传感和可穿戴传感，并展示了其广泛的应用前景。该研究为化学传感器的设计提供了指导，为化学传感在可穿戴设备、可植入设备、生物电子学等领域的应用奠定了基础。

这项研究工作以Chemical sensing by interfacial voltage为题发表于Cell Reports Physical Science。王叶成博士（哈佛大学博士、博士后）和张舒文博士（西安交通大学副教授）为论文共同第一作者，第三作者为白阳（西安交通大学研究生）。美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授和西安交通大学贾坤副教授为论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101119

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（责任编辑：xu）

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