Advanced Materials:寻味自然——可用于检测空气中悬浮非制式爆炸物微粒的比色人工嗅觉系统

梅虽逊雪三分白,雪却输梅一段香。相较于飞雪,梅花气味芬芳袭人。嗅觉是人类了解和利用气味芬芳的大千世界的重要感官。早在1.5万年前,人类就利用犬类具有更加优异嗅觉的特点,驯化了犬类辅助捕猎和预防猛兽袭击。此后,人们还利用金丝雀对地下煤矿中的CO进行检测,利用警犬检测爆炸物、毒品、疾病等。但是,由于直接利用生物进行检测存在成本高、生物心情状态不稳定等缺点而严格限制了其实际应用。因此,人们通过模仿生物的嗅觉,开发出具有仿生功能的人工嗅觉系统,即电子鼻、生电鼻和比色鼻实现了对于易挥发物质的检测。然而,如何针对挥发性极低甚至不挥发爆炸物检测是一项极为挑战性的课题,而这也极大地限制了人工嗅觉系统的发展。是否有可能将电子鼻的可重复使用性、生电鼻的特异性和比色鼻的完全不依赖生物组织的优点结合在一起,并且克服其共同的缺点——无法检测挥发性极低甚至完全不挥发物质,是当今痕量检测领域面临的巨大挑战。

众所周知,人类嗅觉系统能够受到固体花粉刺激。那么,是否可以通过检测空气中悬浮颗粒而达到检测难挥发物质的目的呢?经过深入分析嗅觉系统的作用机理,中国科学院新疆理化技术研究所爆炸物安全科学自治区重点实验室窦新存课题组尝试了通过检测非制式爆炸物的空气悬浮微粒而达到检测难挥发物质的策略。设计开发出一种全新的人工嗅觉系统——基于水凝胶的比色人工嗅觉系统,主要基于三个方面的仿生效果:1)利用水凝胶既具有微液环境又具有固体机械性能的特点,模拟嗅觉粘膜,实现空气中悬浮微粒的吸附、溶解及检测;2)将针对待检测物的、特异性强的比色探针加载到水凝胶中以模拟气味结合蛋白;3)利用反应产物特定颜色传导出的光学信号,模拟嗅觉受体发生形状变化传输信号。研究首先利用3D打印的树脂模板铸出所设计的PDMS基底,然后在二苯甲酮修饰的PDMS基底表面原位合成具有优异化学稳定性能的聚丙烯酰胺水凝胶阵列,继而采用溶剂置换法将特异性探针分子加载到水凝胶阵列中,构建出比色人工嗅觉系统。令人兴奋的是,利用该比色人工嗅觉系统成功实现了以NaClO、KClO3、NaClO4、尿素和KNO3这5种典型的非制式爆炸物为代表的悬浮微粒的比色识别。此外,其不仅充分展现出高灵敏性,检测限低至39.4 pg,而且对KClO3、NaClO4、KNO3和尿素的响应极为迅速,检测时间小于1 s。同时,对日用粉末物品,水溶性阴离子及阳离子具有优异的抗干扰性,且通过简单的溶剂置换即可实现重复使用,避免了不必要的环境污染和资源浪费。

该研究克服了传统意义上电子鼻、生电鼻、比色鼻的缺点,有望解决严重威胁世界人民生命和财产安全的难挥发性非制式爆炸物检测难题。虽然这仍然是一个概念证明,我们相信,此项研究为无挥发性物质的检测打开了一扇大门,可以扩展到毒品检测、环境污染物监测、食品安全等领域,势必将人工嗅觉系统推向一个新高度。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201907043)上。