深圳大学李正研究员Anal. Chem.：基于单纳米金属颗粒的光电子鼻技术检测并区分低浓度光化学污染气体

世界卫生组织（WHO）把挥发性有机化合物（VOCs）和工业无机污染物（TICs）规定为一类重要的可引起大气和水体环境污染的物质。其中一类重要的光化学污染性气体（O₃、NO_x等），对人体会产生慢性危害，严重的甚至会造成致癌、致畸、致突变的“三致”效应。因此，室内外环境中超低浓度的光化学污染物的定性与定量，对环境监控和疾病预防具有重要意义。由于大多数光化学污染物为小分子化合物，化学结构较为单一，容易逸散，难以捕捉与富集，近年来鲜有高效准确的原位定点检测技术发明与报道。而目前检测光化学污染物的主流技术是基于高精度的标准气相色谱法、质谱法、离子迁移谱法、光谱法，以及基于半导体异质结或导电高分子的“电子鼻”方法，均无法高效快捷地解决这一分析化学和环境监测领域的难题。

基于以上背景，深圳大学高等研究院李正研究员（点击查看介绍）团队通过湿法合成一系列不同配体功能化的金纳米材料，开发了一类基于表面等离子共振信号（LSPR）的气敏光学传感器。利用金纳米敏感的LSPR性质在气-固表面与光化学污染物反应时的改变，实现对大多数光化学污染气的超灵敏检测与鉴别。修饰的金纳米材料在空气中性质稳定，具有较高的憎水性，有效地阻止传感器使用中来自外界水气的干扰。通过此法得到12种不同光电性质的传感材料，在疏水化玻片上通过接触式打印制备阵列式传感器，构建用于气相检测的芯片实验室。

图1. 阵列式气体传感光学芯片的构建、表面反应机理探究、TEM图像以及漫反射光谱。图片来源:Anal. Chem.

实验验证12种金纳米墨水都具备稳定的化学性质，贮存6个月内未观察到明显的聚沉现象；印制的阵列随后组装成一次性检测微器件，随后搭建基于便携式微型设备的简易光学信号采集装置，对阵列传感器反应前后的红、绿、蓝色光学信号进行方便快捷的扫描、分析和建库，可在500 ppb浓度级别特征性区分15种不同的光化学气体及其混合物，检测限低至1 ppb以下。发现依据这些气体化合物的氧化性质，呈现出差异性的响应图案，以此可以建立分子指纹式的物质分析机制，对不同光化学气体进行鉴定和归类。最终将该技术运用到实体场景，初步实现对室内空气氛围（有无通风、有无污染源等）的实时、便捷、超灵敏、大范围的可视化检测。

图2. 阵列式传感芯片对15种不同光化学污染气的定性响应图谱、化学计量学归类结果以及定量曲线。图片来源:Anal. Chem.

该工作为痕量光化学污染气体检测工具的实用化和产品化提供了理论基础和实践依据。这一成果发表于Analytical Chemistry 上，李正研究员是文章的第一作者兼唯一通讯作者，课题组科研助理张若晗、博士后研究员卢晓慧等参与该研究，中国汽车技术研究中心（天津）有限公司协助完成部分测试工作。

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Multiplexed Analysis of Photochemical Oxidants Using a Nanoparticle-Based Optoelectronic Nose

Zheng Li*, Ruohan Zhang, Xiaohui Lu, Luoyu Hu, Xinyu Wang, Wei Liu, Chen Cui, and Xuefeng Liu

Anal. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.analchem.1c03457

导师介绍

李正研究员，广东省自然基金杰出青年项目获得者，深圳市孔雀计划B类人才。2012年毕业于南京大学，2017年毕业于美国伊利诺伊大学香槟分校，获化学博士学位，师从美国发明院（NIH）院士、美国科学促进会（AAAS）会士Kenneth S. Suslick教授。随后相继在美国伊利诺伊大学香槟分校和北卡州立大学从事博士后工作。2019年11月起加入深圳大学高等研究院，任研究员。主要从事生化传感器、微阵列气相分析、芯片实验室、新功能材料的开发。自2015年来在Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Plants, Matter, Anal. Chem.等期刊以第一或通讯作者身份发表论文近30篇，其中ESI高被引论文2篇，他引1000余次，H-index = 15, 申请并授权发明专利3项，撰写专著3部。主持国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金杰青项目等。目前担任Front. Chem.和Sensors期刊客座编辑。

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