近日，《自然·通訊》（Nature Communications）雜志發(fā)表了華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院青年教師張閩副教授和以色列理工學(xué)院Hossam Haick教授合作研究的最新成果—“時(shí)空分辨折紙遞階型電子器件應(yīng)用于超靈敏檢測(cè)物理和化學(xué)刺激”（Time-Space-Resolved Origami Hierarchical Electronics for Ultrasensitive Detection of Physical and Chemical Stimuli）。張閩副教授為論文第一作者，以色列理工學(xué)院Hossam Haick教授為通訊作者。施國躍教授、2017級(jí)分析化學(xué)碩士研究生林子楊和2015級(jí)本科生陳子晗共同參與了這項(xiàng)工作。

　　傳統(tǒng)的分析傳感方法是使用一種傳感器檢測(cè)一個(gè)靶標(biāo)物，因此通常需要投入大量的精力、物力開發(fā)不同靶標(biāo)特異性響應(yīng)的傳感器。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，張閩團(tuán)隊(duì)開始致力于發(fā)展基于模式識(shí)別的化學(xué)與生物傳感陣列——“化學(xué)鼻/舌（Chemical Nose/Tongue）”，通過傳感元件的差異化響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量靶標(biāo)的模式識(shí)別區(qū)分與檢測(cè)，發(fā)展了一系列新型傳感分析新方法（Anal. Chem., 2018, 90, 3443-3451; Anal. Chem., 2018, 90, 8248-8253; Anal. Chem., 2018, 90, 10536-10542; Anal. Chem., 2018, 90, 10614-10620）。

　　在上述研究基礎(chǔ)上，張閩副教授在以色列理工學(xué)院訪學(xué)期間，結(jié)合課題組的研究進(jìn)展與優(yōu)勢(shì)條件，進(jìn)一步發(fā)展了多功能“電子鼻/舌(E-Nose/Tongue)”并實(shí)現(xiàn)其智能傳感應(yīng)用。當(dāng)前，傳統(tǒng)的“電子鼻/舌”受限于不同的傳感單元在同一時(shí)間內(nèi)接觸在同一個(gè)平面空間內(nèi)刺激分析物，使得一系列傳感陣列難以成功地將復(fù)雜物理和化學(xué)刺激區(qū)分，此外，傳統(tǒng)“電子鼻/舌”通常需要較高的成本和設(shè)計(jì)具有足夠的化學(xué)多樣性（例如：多個(gè)報(bào)告元素）來區(qū)分刺激物。因此，若是能夠開發(fā)只用一個(gè)報(bào)告元素但它能同時(shí)識(shí)別和區(qū)分復(fù)雜物理和化學(xué)刺激的多功能傳感器陣列具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。

　　由于紙張以纖維素為主要材料，便宜易獲取、柔軟且具有疏松結(jié)構(gòu)，可作為電子傳感器件設(shè)計(jì)的優(yōu)選載體。張閩等人合成了一種“電子墨水”——聚多巴胺改性還原型氧化石墨烯構(gòu)成的復(fù)合物，將其涂布在紙張上作為響應(yīng)刺激的報(bào)告元素，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型刺激的電傳導(dǎo)特性。受傳統(tǒng)手工藝——折紙的啟發(fā)，他們又進(jìn)一步將紙張進(jìn)行折疊設(shè)計(jì)，使之形成一種仿色譜結(jié)構(gòu)用于負(fù)載聚多巴胺導(dǎo)電墨水，構(gòu)筑折紙遞階型電子傳感器件實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物理/化學(xué)刺激的差異化響應(yīng)及模式識(shí)別分析。

時(shí)空分辨折紙遞階色譜型電子器件設(shè)計(jì)及傳感應(yīng)用示意圖

　　揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）作為機(jī)體內(nèi)新陳代謝過程的終產(chǎn)物，其中會(huì)包含某種疾病特有的多種VOCs（即：疾病標(biāo)志物）。同時(shí)，人體在內(nèi)的肺部和血液會(huì)通過體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分子交換，所以呼氣中VOCs的組成及水平與血液中的成分密切關(guān)聯(lián)，對(duì)這些VOCs的直接且綜合性的評(píng)估，可以判定一個(gè)人是否患病及病程情況等，也可以快速反映某種疾病相關(guān)新陳代謝活動(dòng)的潛在變化。基于此，張閩等人使用所構(gòu)建的時(shí)空分辨折紙遞階色譜型電子傳感陣列，可以對(duì)溫度、相對(duì)濕度和光照等物理刺激有良好的響應(yīng)，對(duì)烷烴類、醇類、酮類和有機(jī)酸類在內(nèi)的12種VOCs進(jìn)行了模式識(shí)別區(qū)分與檢測(cè)，并可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)VOCs類似物如同系物及構(gòu)造異構(gòu)體（2-己酮，己醛和庚醛；鄰、間、對(duì)二甲苯）與對(duì)映異構(gòu)體（手性2-辛醇與手性2-丁醇）的區(qū)分檢測(cè)。結(jié)合新穎的呼吸活檢概念，張閩等人所設(shè)計(jì)的“電子鼻/舌”有望針對(duì)癌癥、炎癥和感染病等疾病進(jìn)行早期檢測(cè)和診斷。

　　綜上所述，張閩及其合作者通過將仿生納米材料制備及表面改性、折紙傳感陣列、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)相結(jié)合，制備功能導(dǎo)電墨汁并構(gòu)筑具有時(shí)空分辨仿色譜特性的折紙遞階型多功能傳感器件，應(yīng)用于復(fù)雜物理和化學(xué)刺激的區(qū)分及檢測(cè)分析，為未來可穿戴和便攜式電子設(shè)備的可擴(kuò)展和低成本開發(fā)提供技術(shù)支撐和有效的解決方案。

　　本項(xiàng)研究得到了比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)、歐盟“地平線2020”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目和國家留學(xué)基金委的大力支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09070-8