近日，《自然·通訊》（Nature Communications）雜志發(fā)表了華東師范大學化學與分子工程學院青年教師張閩副教授和以色列理工學院Hossam Haick教授合作研究的最新成果—“時空分辨折紙遞階型電子器件應用于超靈敏檢測物理和化學刺激”（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，以色列理工學院Hossam Haick教授為通訊作者。施國躍教授、2017級分析化學碩士研究生林子楊和2015級本科生陳子晗共同參與了這項工作。

　　傳統(tǒng)的分析傳感方法是使用一種傳感器檢測一個靶標物，因此通常需要投入大量的精力、物力開發(fā)不同靶標特異性響應的傳感器。為了應對這個問題，張閩團隊開始致力于發(fā)展基于模式識別的化學與生物傳感陣列——“化學鼻/舌（Chemical Nose/Tongue）”，通過傳感元件的差異化響應實現對大量靶標的模式識別區(qū)分與檢測，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）。

　　在上述研究基礎上，張閩副教授在以色列理工學院訪學期間，結合課題組的研究進展與優(yōu)勢條件，進一步發(fā)展了多功能“電子鼻/舌(E-Nose/Tongue)”并實現其智能傳感應用。當前，傳統(tǒng)的“電子鼻/舌”受限于不同的傳感單元在同一時間內接觸在同一個平面空間內刺激分析物，使得一系列傳感陣列難以成功地將復雜物理和化學刺激區(qū)分，此外，傳統(tǒng)“電子鼻/舌”通常需要較高的成本和設計具有足夠的化學多樣性（例如：多個報告元素）來區(qū)分刺激物。因此，若是能夠開發(fā)只用一個報告元素但它能同時識別和區(qū)分復雜物理和化學刺激的多功能傳感器陣列具有重要意義和應用價值。

　　由于紙張以纖維素為主要材料，便宜易獲取、柔軟且具有疏松結構，可作為電子傳感器件設計的優(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成的復合物，將其涂布在紙張上作為響應刺激的報告元素，以實現對不同類型刺激的電傳導特性。受傳統(tǒng)手工藝——折紙的啟發(fā)，他們又進一步將紙張進行折疊設計，使之形成一種仿色譜結構用于負載聚多巴胺導電墨水，構筑折紙遞階型電子傳感器件實現對復雜物理/化學刺激的差異化響應及模式識別分析。

時空分辨折紙遞階色譜型電子器件設計及傳感應用示意圖

　　揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）作為機體內新陳代謝過程的終產物，其中會包含某種疾病特有的多種VOCs（即：疾病標志物）。同時，人體在內的肺部和血液會通過體內循環(huán)系統(tǒng)進行分子交換，所以呼氣中VOCs的組成及水平與血液中的成分密切關聯(lián)，對這些VOCs的直接且綜合性的評估，可以判定一個人是否患病及病程情況等，也可以快速反映某種疾病相關新陳代謝活動的潛在變化。基于此，張閩等人使用所構建的時空分辨折紙遞階色譜型電子傳感陣列，可以對溫度、相對濕度和光照等物理刺激有良好的響應，對烷烴類、醇類、酮類和有機酸類在內的12種VOCs進行了模式識別區(qū)分與檢測，并可以進一步實現VOCs類似物如同系物及構造異構體（2-己酮，己醛和庚醛；鄰、間、對二甲苯）與對映異構體（手性2-辛醇與手性2-丁醇）的區(qū)分檢測。結合新穎的呼吸活檢概念，張閩等人所設計的“電子鼻/舌”有望針對癌癥、炎癥和感染病等疾病進行早期檢測和診斷。

　　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、數據挖掘等技術相結合，制備功能導電墨汁并構筑具有時空分辨仿色譜特性的折紙遞階型多功能傳感器件，應用于復雜物理和化學刺激的區(qū)分及檢測分析，為未來可穿戴和便攜式電子設備的可擴展和低成本開發(fā)提供技術支撐和有效的解決方案。

　　本項研究得到了比爾及梅琳達·蓋茨基金會、歐盟“地平線2020”計劃、國家自然科學基金面上項目、上海市科委重點項目和國家留學基金委的大力支持。

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