四川大學(xué)呂弋研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《Analytical Chemistry》（Anal. Chem. 2024, 96, 11239–11246）上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果。該研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于釓氧化物（Gd2O3）的異溫催化發(fā)光（CTL）傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可快速、靈敏地檢測(cè)和區(qū)分六種常見(jiàn)醛類分子，為揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的高效檢測(cè)提供了一種創(chuàng)新、低成本的解決方案，具有廣泛的環(huán)境監(jiān)測(cè)和健康應(yīng)用前景。

一、背景介紹

醛類分子是一類含羰基（?CHO）的有機(jī)化合物，因其高反應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于化工、農(nóng)藥、染料和材料工業(yè)中，例如用于合成聚合物、木材防腐劑及消毒劑等。然而，醛類的過(guò)量排放對(duì)環(huán)境和健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。甲醛是常見(jiàn)的室內(nèi)污染物，可引起眼睛和呼吸道的刺激甚至致癌；丙烯醛具有較強(qiáng)毒性，高濃度暴露可能致命。長(zhǎng)期接觸醛類會(huì)導(dǎo)致慢性疾病，甚至可能誘發(fā)基因突變。此外，醛類揮發(fā)性強(qiáng)、易燃，與氧氣接觸時(shí)可能發(fā)生劇烈反應(yīng)，其檢測(cè)對(duì)環(huán)境安全和健康監(jiān)控至關(guān)重要。

現(xiàn)有的醛類檢測(cè)技術(shù)如氣相色譜、熒光檢測(cè)法和電化學(xué)傳感器盡管靈敏度較高，但普遍存在設(shè)備昂貴、檢測(cè)耗時(shí)、操作復(fù)雜等問(wèn)題，尤其在區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的同系化合物時(shí)存在精度不足的局限性。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、便捷且成本友好的檢測(cè)技術(shù)成為當(dāng)前科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

二、主要研究?jī)?nèi)容

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種異溫催化發(fā)光傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用釓氧化物（Gd2O3）作為核心傳感材料，結(jié)合溫度調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、甲基乙二醛和丙烯醛等六種常見(jiàn)醛類分子的高效檢測(cè)和精準(zhǔn)區(qū)分。通過(guò)水熱法優(yōu)化釓氧化物的制備條件，團(tuán)隊(duì)在120°C下合成的Gd2O3展現(xiàn)了最佳催化性能。該材料比表面積大、吸附氧含量高，能夠有效增強(qiáng)催化氧化過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)靈敏度的大幅提升，其中甲醛的檢測(cè)限低至0.001 μg/mL。

所開(kāi)發(fā)的傳感器系統(tǒng)通過(guò)溫度調(diào)節(jié)捕獲目標(biāo)醛類在不同溫度下的CTL響應(yīng)曲線，可獲得獨(dú)特的“星座圖譜”（圖1）。這一創(chuàng)新手段結(jié)合了目標(biāo)分子與傳感材料間的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性，不僅可以快速區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的同系化合物，還克服了傳統(tǒng)技術(shù)在復(fù)雜氣體混合物檢測(cè)中的抗干擾難題。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了傳感器的性能表現(xiàn)，其響應(yīng)時(shí)間短于2秒，恢復(fù)時(shí)間低于45秒，在30天內(nèi)的檢測(cè)性能保持穩(wěn)定。此外，該系統(tǒng)在混合氣體樣品的檢測(cè)中表現(xiàn)出卓越的區(qū)分能力，例如成功識(shí)別并定量分析了甲醛與丙烯醛的混合物。這一系統(tǒng)為快速、高靈敏度的多組分檢測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

圖1. 基于Gd2O3?的六種醛類星座圖譜判別圖（流速：0.3 L/min，

(A) 甲醛：0.73 μg/mL，

(B) 乙醛：0.65 μg/mL，

(C) 丙醛：1.36 μg/mL，

(D) 丁醛：1.03 μg/mL，

(E) 甲基乙二醛：0.72 μg/mL，

(F) 丙烯醛：1.24 μg/mL）

三、結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)的異溫催化發(fā)光傳感器系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的瓶頸，以釓氧化物為核心，通過(guò)單一傳感材料與溫度調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)六種醛類分子的高效檢測(cè)和精準(zhǔn)區(qū)分。傳感器具備高靈敏度、快速響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全和健康診斷等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)支持。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將進(jìn)一步拓展星座圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為多組分復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)提供更強(qiáng)大的解決方案。

資料出處：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c0076

審核編輯 黃宇