超靈敏傳感器的構(gòu)建在危險化學(xué)品分析、生物標(biāo)志物檢測和體內(nèi)成像中發(fā)揮重要作用，對環(huán)境監(jiān)測和安全監(jiān)控具有重要意義。基于探針的傳感器是最常用的痕量分析方法之一，具有高靈敏度、高特異性和快速響應(yīng)等優(yōu)勢。作為常用的加載探針的介質(zhì)，液相有利于探針分子與目標(biāo)分析物進(jìn)行有效碰撞，從而提高反應(yīng)速度和效率。然而，液體介質(zhì)中的自由體積擴(kuò)散特性會導(dǎo)致反應(yīng)信號的分散，引起來自痕量分析物的信號進(jìn)一步減弱，影響痕量檢測的靈敏度。水凝膠作為含有聚合物網(wǎng)絡(luò)和液相分散介質(zhì)的材料，可通過聚合物鏈的非共價作用以及聚合物網(wǎng)絡(luò)的篩分效應(yīng)限制溶質(zhì)擴(kuò)散。然而，對于各向同性的水凝膠體系，擴(kuò)散性質(zhì)的受限或降低反應(yīng)的有效碰撞，使得檢測反應(yīng)靈敏度下降。多相界面處產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)受體系化學(xué)勢影響，可在不影響溶液自身擴(kuò)散性質(zhì)的同時限制反應(yīng)物遷移方向。因此，在水凝膠體系構(gòu)建存在非對稱擴(kuò)散性質(zhì)的反應(yīng)界面，在保持快速反應(yīng)的同時有效地限制信號擴(kuò)散，具有重要意義。

中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所爆炸物傳感檢測團(tuán)隊基于非對稱擴(kuò)散行為對信號分子的限制作用，設(shè)計了雙層水凝膠體系以增強(qiáng)傳感信號，實(shí)現(xiàn)了納克級別亞硝酸鹽的比色識別。

研究設(shè)計了一種雙層水凝膠體系，其中聚丙烯酰胺（PAM）進(jìn)行采樣和重氮化亞硝酸鹽的瞬時兩步反應(yīng)，而聚乙烯醇（PVA）用于耦合顯色反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對亞硝酸鹽的識別。為了破壞兩種緊密接觸的水凝膠的擴(kuò)散對稱性，研究通過調(diào)控合成方法將PAM和PVA水凝膠之間的孔徑比控制為10，擴(kuò)散系數(shù)比控制為1.7。結(jié)果表明，顯色產(chǎn)物在水凝膠中的擴(kuò)散具有明顯的有界性，且其面內(nèi)擴(kuò)散由于PAM和PVA水凝膠的非對稱擴(kuò)散性質(zhì)得到有效的限制。由此設(shè)計的傳感器對亞硝酸鹽的裸眼檢測限為2.898納克，呈現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和抗干擾性。檢測圖像對目標(biāo)物殘留信息的良好保護(hù)性進(jìn)一步證明了擴(kuò)散控制對于增強(qiáng)傳感信號以及構(gòu)建適用于實(shí)際場景的高性能便攜式檢測器的重要性，為針對痕量固體樣品識別的傳感器設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Sensors and Actuators B: Chemical上。研究工作得到中科院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目及國家高層次人才等的支持。

論文鏈接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0925400522009662

a、具有非對稱擴(kuò)散的水凝膠體系示意圖；b、用于亞硝酸鹽檢測的雙層水凝膠器件