高性能介孔半导体纳米材料用于气体传感取得新进展---WO3基气敏材料用于食源性致病菌检测

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,是传感技术最核心元件。高性能的敏感材料是构建气体传感器的关键。近年来iChEM研究人员、复旦大学化学系邓勇辉教授及其合作者开展了一系列气敏材料设计合成及相关气—固界面催化气敏机理研究(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)。研究团队通过调控具有规则孔道结构、高比表面积的半导体材料的微观结构以及组成,发展了多种针对H2S、H2、NOx、NH3等气体具有优异气敏性能的材料。近日,研究团队发展了配体辅助嵌段共聚物诱导界面自组装技术,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,用于快速选择性的检测食源性致病菌。相关研究成果以“Mesoporous Tungsten Oxides with Crystalline Framework for Highly Sensitive and Selective Detection of Foodborne Pathogens”为题发表在J. Am. Chem. Soc.期刊 (DOI: 10.1021/jacs.7b04221)。

食品安全是遍及全球的严重公共卫生问题,食源性致病菌引起食源性疾病的主要原因,对人们的身体健康造成巨大危害,同时也给国民经济带来重大损失。因此对食品中致病菌的快速实时检测具有重要意义。不同食源性致病菌个体和同一种致病菌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的检测特征的MVOCs气体,然而MVOCs种类较多,如何利用该类传感器快速选择性的检测特定的MVOCs成为了一个巨大的挑战。为此,该研究团队合成出一系列具有结晶骨架的介孔WO3材料,其孔径在10.6 - 15.3 nm范围内可调,比表面积高达到136 m2/g。这种独特的孔结构以及WO3敏感特性使其对李氏特菌产生的特有气体三羟基二丁酮显示超快的响应速度(< 10 s)、高的灵敏度(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,研究团队利用GC-MS原位鉴定了三羟基二丁酮敏感材料在反应过程中产物的成分,发现该气敏检测反应过程的终产物是乙酸,不同于传统观念中认为的其终产物是水和二氧化碳,为揭示敏感机理提供直接证据,为优化气体传感器性能提供了新思路。


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)以及国家自然科学基金优秀青年基金的大力支持。

论文链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b04221

发布日期:2017/7/26 发布者:网站管理员 点击数:532【打印