病毒作涂层?利用噬菌体变色的比色传感器用于环境监测!

subtitle 高分子科学前沿08-01 16:42 跟贴 2 条

自然界中的某些生物,例如变色龙、火鸡等等,会改变其颜色以适应环境的变化。 这些适应性颜色是通过响应环境刺激(例如温度、湿度等等)而改变细胞或蛋白质软层的体积或厚度来实现的 。如今,在具有多种污染物的现代社会中,同样需要视觉自适应来直观地进行如湿度、光线、温度、特定分子浓度等方面的传感,从而实现例如天气预报、空气质量检测等视觉化响应。因此, 对环境敏感的变色材料可以成为超越人类感知的监控器 。随着研究的深入,基于光子晶体的结构着色方案展现了比色传感器应用中前所未有的可能性。然而,当前的研究存在响应慢且色度选择单一的问题, 很难满足实际应用中快速响应和选择性色响应的需求 。

韩国光州科技学院Young Min Song,釜山大学Jin-Woo Oh等人提出了一种基于动态响应病毒(M-13噬菌体)的比色传感器,并带有高度损耗的共振促进剂(HLRP)。超薄的M-13噬菌体层可快速响应外部刺激,展现出可靠的变色行为,并且可在不修改动态响应层的情况下,从相应的调色板中调整颜色。在实际演示过程中,对外部刺激不敏感/敏感的比色传感器可通过隐藏/显示图案来直观地感知环境变化。此外,该比色传感器通过暴露于各种挥发性有机化学物质中进行测试,来实现恶劣环境下的可监测性。该研究以题为“Large-Area Virus Coated Ultrathin Colorimetric Sensors with a Highly Lossy Resonant Promoter for Enhanced Chromaticity”的论文发表在《Advanced Science》上。

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【比色传感器的制备与表征】

图1a展示了涂有病毒的比色传感器。被用作动态响应层的M-13病毒层会因外部变化而发生膨胀/消溶,从而导致HLRP发生比色行为。该噬菌体是一种细菌病毒,由包裹着各种主要和次要外壳蛋白的单链DNA组成(图1b)。因此,带有亲水性噬菌体层的比色传感器能对湿度的改变表现出明显的颜色变化(图1d)。与其他基板相比,HLRP噬菌体层这种明显的颜色变化是通过在特定波长处的强共振吸收实现的(图1e)。为了确认HLRP与噬菌体层的共振增强作用,作者计算了HLRP和其他底物的动态变化反射光谱(图1g),结果表明在500-600 nm的波长范围内,该传感器对颜色的光谱响应是比较敏感的。为了提升该方案的实用性,作者利用旋涂法制备了均匀的大面积超薄噬菌体层。该方法使用电子束蒸发器,通过角膜沉积在晶圆级HLRP上,得到了均匀覆盖的大面积超薄噬菌体层(图1h)。

图1比色传感器的制备与表征

【传感器的选择性颜色响应】

为了优化HLRP的设计,图2a展示了计算出的反射率与特定折射率波长(λc = 500nm)的等高线图,以及每个分离的HLRP层的组成示意图。这些具有HLRP宽波长的反射区会在可见光范围内移动,从而导致比色行为(图2c)。为了确认色度响应与动态变化的联系,图2d给出了RGB颜色集,其中每个涂层的厚度为60 nm,即旋涂病毒层的初始厚度为100 nm。作者通过调整HLRP的设计,从而实现动态响应层的明显颜色变化,并且色度值会随着RGB色域内的动态变化而广泛或局部变化。图2g展示了在各种材料组合下具有多样颜色选择性的颜色集,该颜色集提供了比色传感器的选择性颜色响应,从而实现对外部刺激进行敏感/不敏感的颜色设计。

图2 选择性颜色响应的多样性

图3 传感器的制造工艺优化

【挥发性有机化合物检测】

图4a展示了通过三种基因工程类型(3A,4E和3W)噬菌体进行的野生型(WT)噬菌体检测,并显示了比色传感器的一系列传感过程。由于HLRP对颜色的敏感反应,每个涂有四种不同噬菌体的像素都能显示出明显的颜色变化。为了分析这些颜色响应,在变化浓度的一系列挥发性有机化合物下检测传感器的RGB值。每个基因工程的噬菌体通过每个受体的相互作用特性对不同的物质具有选择性的反应。利用基因工程噬菌体的这些内置响应,对应于有机化合物浓度和种类的RGB值的每种组合形成一个数据集。对于传感器对各种物质的选择性,图4b描绘了通过对每种基因工程噬菌体对不同物质的选择性显色响应相结合的图案。这些图案显示了每种物质的特定形状,且在ppb浓度下也具有与每种化学物质相对应的不同颜色模式(图4c)。

图4 对不同物质的选择性颜色响应

总结:作者提出了一种具有结构简单和高度颜色选择性的快速动态响应变色材料,从而设计出可直观检测环境变化的比色传感器。旋涂在HLRP上的超薄M-13噬菌体层展现出敏感的比色行为,同时具有强烈的共振变化,可实现快速动态响应。此外,该方法可进行危险化学物质检测并且适合大面积制造,为今后用于日常和工业环境打下了基础。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000978

来源:高分子科学前沿

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