窦新存课题组在非对称扩散增强的比色传感器件方面取得进展

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超灵敏传感器的构建在危险化学品分析、生物标志物检测和体内成像中发挥着重要作用，对环境监测和安全监控具有重要意义。基于探针的传感器是最常用的痕量分析方法之一，具有高灵敏度、高特异性和快速响应等优势。作为最常用的加载探针的介质，液相有利于探针分子与目标分析物进行有效碰撞，从而提高反应速度和效率。然而，液体介质中的自由体积扩散特性会导致反应信号的分散，从而引起来自痕量分析物的信号进一步减弱，这将影响痕量检测的灵敏度。水凝胶作为含有聚合物网络和液相分散介质的材料，可通过聚合物链的非共价作用以及聚合物网络的筛分效应限制溶质扩散。然而，对于各向同性的水凝胶体系，扩散性质的受限可能会降低反应的有效碰撞，使得检测反应灵敏度下降。发生在两相界面处的化学反应受体系化学势影响，可同时避免溶液自身扩散并限制反应物迁移方向。因此，探索一种可靠的方法，在水凝胶体系构建存在非对称扩散性质的反应界面，在保持快速反应的同时有效地限制信号扩散，对痕量检测灵敏度的提升具有重要意义。基于此，中国科学院新疆理化技术研究所爆炸物传感检测团队通过非对称扩散行为对信号分子的限制作用，设计了双层水凝胶体系以增强传感信号，实现了纳克级别亚硝酸盐的比色识别。

a）具有非对称扩散特征的水凝胶体系示意图。b）界面扩散反应从两相初始接触到扩散平衡过程示意图。c）用于亚硝酸盐检测的双层水凝胶比色检测测仪工作原理示意图。

       研究人员设计了一种双层水凝胶体系，其中，聚丙烯酰胺（PAM）进行采样并实现重氮化亚硝酸盐的瞬时反应，聚乙烯醇（PVA）用于耦合显色反应实现对亚硝酸盐的识别。为了破坏两种紧密接触的水凝胶的扩散对称性，通过调控合成方法将PAM和PVA水凝胶之间的孔径比控制为10，扩散系数比控制为1.7。结果表明，显色产物在水凝胶法向的扩散具有明显的受限趋势，且面内扩散由于PAM和PVA水凝胶的非对称扩散性质也得到有效的限制。基于此原理设计的传感器对亚硝酸盐的裸眼检测限达到2.898纳克，体现出优异的灵敏度和抗干扰性。检测图像对目标物精确几何结构的良好重现性进一步证明了扩散控制对增强传感信号以及构建适用于实际场景的高性能便携式检测装备的重要性，为针对痕量固体样品识别的传感器设计提供了理论基础。
       相关研究成果发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》，新疆理化技术研究所为唯一完成单位，博士生张天实与胡晓云为共同第一作者，导师窦新存研究员为通讯作者。该研究工作得到中科院西部之光、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院从0到1原始创新及国家高层次人才等项目的资助。
       论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132324


        文章来源：新疆理化所
     窦新存，新疆理化所研究员。2009年7月以优异的成绩从中科院固体物理研究所毕业，获博士学位、中科院优秀博士论文奖和中科院院长奖优秀奖。目前在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院及能源研究院从事纳米材料太阳能电池方面的研究工作。窦新存致力于发展新型纳米热电材料、半导体光电材料、器件组装优化以及开发等方面的研究，并取得了一系列的科研成果。2011年他曾应邀撰写英文专著Crystal Growth: Theory, Mechanisms and Morphology（Nova Publishers）中的一个章节。