高性能介孔WO3半导体传感器有望用于食源性致病菌快速、选择性的检测

互联网、物联网的快速发展极大程度地促进了传感技术在环境保护、智能家居、生物医学、国防、反恐乃至文物保护等领域的应用。传感器属于物联网的神经末梢，是传感技术最核心的元件，发展高性能的各类传感器是组建物联网不可或缺的先决条件，设计合成高效的敏感材料是构建高性能传感器的关键。设计具有丰富孔结构、高比表面积的半导体氧化物是改善化学敏感特性的有效途径。一方面，巨大的比表面积可以提供更多的活性位点，有利于敏感材料与目标气体的吸附与反应；另一方面，规则排列及连通的孔道可以提高目标气体在其中的扩散速率，增加检测气体与敏感材料发生反应几率，可极大地提高半导体传感器的灵敏度和选择性。目前，溶胶-凝胶法、化学气相沉积、喷雾干燥法等方法广泛用于合成各种介孔金属氧化物半导体材料，但上述方法得到的材料孔隙率低、骨架结晶性差，骨架主要为无定型态，在空气中焙烧后介孔骨架基本不能保持，不利于气体敏感性能的提高。因此，发展一种快速、高效合成孔结构可控的高结晶度有序半导体金属氧化物的方法仍旧十分重要。

近年来，复旦大学化学系的邓勇辉教授（点击查看介绍）团队通过溶剂挥发诱导自组装导向合成有序的介孔纳米结构半导体金属氧化物，有效地克服了上述瓶颈，显著改善了材料的气体传感性能。该团队设计合成了一系列有序介孔半导体气敏材料并对其相关的气-固界面催化气敏机理进行了系统研究（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9035；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15064；Chem. Mater., 2016, 28, 7773；Chem. Mater., 2016, 28, 7997；J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12586）。他们通过调控具有规则孔道结构、高比表面积半导体材料的微观结构及组成，发展了多种针对H₂S、H₂、NO_x、NH₃等气体具有优异气敏性能的材料。

食品安全是遍及全球的严重公共卫生问题，食源性致病菌是引起食源性疾病的主要原因，对人们的身体健康造成巨大的危害，同时也给国民经济带来重大的损失，因此食品中致病菌的快速实时检测具有重要的意义。不同食源性致病菌个体和同种致病菌在不同生理阶段会生成一系列具有“指纹特性”的挥发性代谢产物（Microbial Volatile Organic Components，MVOCs）。具有成本低、操作方便等特点的金属氧化物半导体传感器可以无损地检测特征的MVOCs气体，然而MVOCs的种类较多，如何利用该类传感器快速选择性地检测特定的MVOCs成为巨大的挑战。

为此，邓勇辉教授研究团队发展了配体辅助嵌段共聚物诱导界面的自组装技术，以实验室合成的两亲性嵌段共聚物PEO-b-PS作为模板剂，巧妙采用乙酰丙酮（AcAc）作为配位剂延缓前驱体水解交联的速度，合成出一系列具有孔道高度连通的高比表面积介孔WO₃材料，并首次将该材料用于构建高性能的气体传感器，快速选择性地检测食源性致病菌。其中，具有结晶骨架的介孔WO₃材料的孔径在10.6-15.3 nm范围内可调，比表面积可达136 m²/g。介孔WO₃独特的孔结构以及敏感特性使其对李氏特菌产生的特有气体——3-羟基-2-丁酮具有超快的响应速度（< 10 s）、高灵敏度（Rair / Rgas > 50）和极高的选择性，有望用于快速有效检测食品、水体的微生物污染。此外，该研究团队利用GC-MS分析原位鉴定了3-羟基-2-丁酮敏感材料在反应过程中产物的成分，发现气敏检测反应过程的最终产物是乙酸，不同于传统观念中认知的最终产物是水和二氧化碳，为揭示敏感机理提供了直接的证据，也为优化气体传感器的性能提供了新的思路。相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society 上。

该工作得到国家自然科学基金、上海市高原学科食品质量安全风险评估实验室、2011能源材料化学协同创新中心（iChEM）、万人计划青年拔尖人才计划以及国家自然科学基金优秀青年基金的大力支持。

该论文作者为：Yongheng Zhu, Yong Zhao, Junhao Ma, Xiaowei Cheng, Jing Xie, Pengcheng Xu, Haiquan Liu, Hongping Liu, Haijiao Zhang, Minghong Wu, Ahmed A. Elzatahry, Abdulaziz Alghamdi, Yonghui Deng and Dongyuan Zhao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Mesoporous Tungsten Oxides with Crystalline Framework for Highly Sensitive and Selective Detection of Foodborne Pathogens

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 10365, DOI: 10.1021/jacs.7b04221

导师介绍

邓勇辉

http://www.x-mol.com/university/faculty/9666