华南师大周国富教授团队王耀教授课题组《ACS AMI》：无定形血晶素核/丙酮衍生碳化聚合物壳核壳纳米球修饰石墨烯用于室温NO传感

2023-03-29 来源：高分子科技

创新点

本文首次合成了一种以无定形血晶素为核/丙酮衍生碳化聚合物为壳的核壳纳米球（HNS），将其与石墨烯复合(HNS-rGO)后在室温下表现出优异的NO传感性能，包括高响应值、低实际检测限和长时间稳定性。这种优异的性能主要来源于无定形血晶素核携带的更多的Fe-N₄活性位点及丙酮碳化聚合物壳层所提供的物理保护作用。

呼出气一氧化氮（Fractional concentration of Exhaled Nitric Oxide（FeNO））是目前研究较多的一项检测气道炎症的生物学标志物。FeNO在诊断气道嗜酸性粒细胞炎症、预测类固醇激素治疗有效性以及协助诊断哮喘方面发挥着重要作用，因此，研发兼具高灵敏度、良好的循环稳定性及选择性等优点，且制备简单、成本低廉的室温一氧化氮气体传感材料是十分迫切的。

之前的工作（Small 2022, 18 (11), 2103259）发现，将血晶素（Fe(III)- protoporphyrin IX ，Hemin）负载于石墨烯上可制得对NO具有特异性响应的复合材料，然而大多数Hemin分子会趋于结晶，这会占据Hemin分子中Fe-N₄活性位点，从而抑制其NO传感能力，因此，打破Hemin晶体，释放更多的Fe-N₄活性位点是提高其NO传感能力的潜在解决方式。本工作通过溶剂热法以血晶素和丙酮为原料制备了一种核壳结构的纳米球HNS。丙酮溶剂热形成的碳化聚合物成功“破坏”了血晶素的晶体结构，构筑了一种独特的以无定形血晶素为核，碳化聚合物为壳的核壳结构纳米球。将其与石墨烯复合后得到了对NO具有特异性响应的复合材料HNS-rGO。

图 1 材料制备示意图

实验表明，该材料HNS-rGO在室温下表现出对NO气体的较好响应，包括高响应值（Ra/Rg = 5.8, 20 ppm）和低实际检测限（100 ppb），同时，该材料具有良好的可回复性（大于6次响应-回复循环）、稳定性（120天内响应值损失低于3%）和高选择性。

图2 响应性能表征

该材料对NO具有优异的传感能力可归因于两个方面，一方面丙酮衍生碳化聚合物壳层成功“打破”了血晶素的晶体结构，释放了更多的Fe-N₄活性位点；另一方面，丙酮衍生碳化聚合物壳层也提供了额外的物理保护作用。本工作不仅为设计高性能NO传感系统提供了新的策略，也为含碳化聚合物的核壳纳米材料开辟了新的途径。

图3 传感机理示意图

相关研究成果发表于国际期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（影响因子：10.383）上，题为“Assembly of Core/Shell Nanospheres of Amorphous Hemin/Acetone-Derived Carbonized Polymer with Graphene Nanosheets for Room-Temperature NO Sensing”（DOI: 10.1021/acsami.2c16769）。课题组19级硕士研究生王建强为论文第一作者，华南师范大学王耀教授为论文通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。

周国富教授团队王耀教授领导的先进信息材料（AIM）课题组在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，近三年已在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Small》、《Journal of Materials Chemistry A》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际期刊上发表20多篇原创性学术论文，提升了华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的学术影响力。

本研究工作得到了国家自然科学基金、、广东省自然科学基金“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c16769

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（责任编辑：xu）

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