基于智能高分子材料的靈敏檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

孫曉洋

（國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇 錫山 214100）

1 前言

在上個(gè)世紀(jì)八十年代初，人們逐步開展關(guān)于智能高分子材料設(shè)計(jì)和開發(fā)的研究，但直到1989 年，其定義才由日本的高木俊宜教授所提出并被廣泛采納。他將智能高分子材料描述為一種能基于功能團(tuán)感知周邊環(huán)境變化并能夠進(jìn)行自動(dòng)判斷，從而實(shí)現(xiàn)指令動(dòng)作的完成的新型高分子材料。與普通材料相比，智能高分子材料的最大優(yōu)勢(shì)在于其能夠依靠其對(duì)溫度、離子強(qiáng)度、濕度、光照、聲音等因素的敏感性和響應(yīng)性來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，從而成為各種敏感元件的材料，其被譽(yù)為材料科學(xué)史上的一大突破[1]。

有害化學(xué)物質(zhì)和微生物的檢測(cè)對(duì)于環(huán)境保護(hù)、疫情防控等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而對(duì)這些微量物質(zhì)的檢測(cè)往往需要復(fù)雜的技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)，而且輸出的結(jié)果技術(shù)性較強(qiáng)，直觀性較差。為了提高檢測(cè)的高效性，需要將這些專業(yè)化的參數(shù)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成常用的如流量信號(hào)、光信號(hào)等。在智能高分子材料未出現(xiàn)之前，人們往往采用熒光方法、原子光譜、等離子光譜等檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，但這些技術(shù)需要依賴精密的儀器和專業(yè)的人員才能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)設(shè)備成本以及檢測(cè)成本極高。而通過智能高分子將微觀信號(hào)轉(zhuǎn)換成直觀信號(hào)，極大地提高了檢測(cè)的效率，同時(shí)降低了檢測(cè)的成本，具有重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。

2 利用智能高分子材料將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為流量信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)

2.1 智能開關(guān)膜檢測(cè)技術(shù)

智能開關(guān)膜是由智能高分子和膜基材共同組成的一種新型材料。一般來說，會(huì)將超分子（如冠醚）、生物大分子（如DNA）等具有“傳感器”功能的基團(tuán)修飾在作為“執(zhí)行器”的智能高分子上。通過修飾的基團(tuán)來識(shí)別特定的分子或離子（如凝血酶、鉛離子、鉀離子等），作用在高分子鏈上則會(huì)導(dǎo)致其荷電性、親疏水性發(fā)生變化，從而改變智能高分子鏈的構(gòu)象。高分子鏈構(gòu)象的改變帶來的直觀變化就是智能開關(guān)膜滲透性的改變，因此，可以通過檢測(cè)其滲透性的變化即可定量地檢測(cè)出特定分子或離子的含量。通過VIPS法制備出能夠檢測(cè)鉛離子的智能開關(guān)膜，其制備過程和響應(yīng)機(jī)理如圖1 所示。首先將PNB 高分子微球與PES鑄膜液混合均勻，兩者分散過程中會(huì)形成三維互穿的骨架結(jié)構(gòu)，PNB 微球則會(huì)穿過骨架遷移至智能開關(guān)膜的表面，形成高效、高通量的響應(yīng)。當(dāng)待測(cè)溶液中含有鉛離子時(shí)，PNB 微球上的響應(yīng)分子會(huì)與鉛離子結(jié)合形成包結(jié)物，高分子鏈段由于靜電的作用而相互排斥，從而導(dǎo)致膜孔的大小減小，而且鉛離子濃度增加的越多，膜孔的孔徑就越小，通量亦越小。根據(jù)擬合可以找到通量與鉛離子濃度的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子的高精端檢測(cè)。同時(shí)，該反應(yīng)在高溫時(shí)可以實(shí)現(xiàn)逆反應(yīng)，能夠重復(fù)使用。目前，其已被廣泛應(yīng)用在實(shí)時(shí)水資源質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

圖1 鉛離子響應(yīng)型智能開關(guān)膜制備 過程（a）和響應(yīng)機(jī)理（b）

選擇PE 作為基材，然后將帶有DNA 的線性高分子鏈接枝在其上并進(jìn)行二次聚合，制備得能對(duì)凝血酶進(jìn)行響應(yīng)的智能開關(guān)膜。在初始狀態(tài)下，DNA 分子會(huì)與凝血酶適體相結(jié)合形成雙鏈DNA 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶有強(qiáng)負(fù)電，因此，高分子鏈段會(huì)處于伸展?fàn)顟B(tài)，智能開關(guān)膜的膜孔處于關(guān)閉狀態(tài)。而當(dāng)檢測(cè)環(huán)境中出現(xiàn)凝血酶時(shí)，凝血酶適體會(huì)與凝血酶相結(jié)合，原有穩(wěn)固的雙鏈結(jié)構(gòu)被破壞，基材上的負(fù)電也減少，鏈段之間的排斥作用也減弱，膜孔打開，而且凝血酶的濃度越高，膜孔越大。

2.2 智能微流控芯片檢測(cè)技術(shù)

微流控是指在微通道（微米尺度）內(nèi)對(duì)微量流體進(jìn)行精確操控和處理的一項(xiàng)新興技術(shù)。智能微凝膠的開發(fā)給該項(xiàng)技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向，通過在微流控芯片中結(jié)合智能微凝膠，可以將材料的物性變化轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w流向或流量的變化，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量化檢測(cè)。Lin 等通過研究開發(fā)出一種通過旋轉(zhuǎn)紫外曝光法合成PNB 智能微凝膠的方法，該智能微凝膠上的冠醚基團(tuán)可以特異性識(shí)別鉛離子，然后形成帶正電的絡(luò)合物，高分子鏈由于強(qiáng)靜電斥力作用而使通量減小。同時(shí)，絡(luò)合物的存在或提高智能微凝膠的親水性，微凝膠的膨脹使得微通道的通量更小，通過流量計(jì)檢測(cè)流速的變化即可檢測(cè)出檢測(cè)液中鉛離子的含量。利用光聚合技術(shù)以丙烯酰胺未單體制備出能識(shí)別響應(yīng)雙酚A（BPA）的智能微凝膠，其中，承擔(dān)“傳感器”功能的是β-環(huán)糊精（β-CD）。當(dāng)介質(zhì)中存在BPA 時(shí)，β-CD 會(huì)其進(jìn)行特異性交聯(lián)，從而使微凝膠收縮通量減小，從而檢測(cè)出BPA 的含量。為了提高檢測(cè)的精準(zhǔn)性，還將微凝膠設(shè)計(jì)成單通道，使得通量的變化率更大，更有效的測(cè)出BPA 的含量。

3 利用智能高分子材料將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)

根據(jù)壓阻效應(yīng)可知，半導(dǎo)體在受到載荷作用時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化，而這種電阻變化可以基于惠斯通電橋原理轉(zhuǎn)化成電壓變化輸出，可以直觀地觀察其變化。在硅膜片上涂敷一層凝膠，該凝膠的高分子鏈上含有一對(duì)未共用電子對(duì)的氮原子，氮原子可以特異性的識(shí)別銅離子形成絡(luò)合物，當(dāng)兩者絡(luò)合后，凝膠內(nèi)部的靜電斥力減小，凝膠體積收縮，間接在硅膜片上形成載荷，傳感器輸出相應(yīng)的電壓。該方法操作便利，成本較低，但其靈敏度較低，該思路未得到廣泛的應(yīng)用。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是研究人員在智能高分子材料靈敏檢測(cè)的另一個(gè)研究方向。通過將智能高分子材料與柵極相結(jié)合，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)與智能高分子反應(yīng)后，場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的輸出電流會(huì)發(fā)生變化，通過電流的變化間接得到物質(zhì)的濃度。通過在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極表面涂敷一層帶苯硼酸“傳感器”的凝膠層用于檢測(cè)溶液中的葡萄糖，其原理是苯硼酸通過共價(jià)鍵與葡萄糖相結(jié)合，使得凝膠表面的親水性提高，滲透壓的變化導(dǎo)致凝膠內(nèi)部膨脹，柵極表面的電荷出現(xiàn)變化，其變化越大，葡萄糖的濃度就越高。該方法亦存在檢出靈敏度低的問題。

4 利用智能高分子材料將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)

4.1 智能微懸臂梁檢測(cè)技術(shù)

一般來說，智能微懸臂梁檢測(cè)技術(shù)是在微懸臂梁的硅基底上涂敷智能微凝膠或者接枝功能基團(tuán)，微凝膠或功能基團(tuán)會(huì)與待檢測(cè)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而出現(xiàn)應(yīng)力差，導(dǎo)致微懸臂梁彎曲。而照射在微懸臂梁上的光線的反射路徑會(huì)出現(xiàn)偏移，通過對(duì)光線偏移位置的追蹤，即可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的檢測(cè)。通過在微懸臂梁的一側(cè)涂敷智能高分子凝膠，凝膠表面接枝了三甲基氯化銨，其對(duì)CrO42-具有響應(yīng)性，兩者可以形成離子對(duì)，導(dǎo)致凝膠內(nèi)部滲透壓降低，凝膠收縮使得微懸臂梁彎曲，從而檢測(cè)到CrO42-的濃度。微懸臂梁的一側(cè)利用自由基聚合的方法接枝了功能基團(tuán)，高分子鏈段中含有能夠特異性識(shí)別Be2+的基團(tuán)，并與其形成絡(luò)合物，由于靜電排斥作用的增大，分子鏈擴(kuò)張，受力平衡被打破，微懸臂梁彎曲，從而檢測(cè)到Be2+的含量。

4.2 智能光子晶體檢測(cè)技術(shù)

智能光子晶體的制備通常是在凝膠預(yù)聚合液中混入單分散的膠體顆粒，膠體顆粒會(huì)通過自組裝形成有序結(jié)構(gòu)，最后將凝膠聚合即可得到，其檢測(cè)物質(zhì)的原理是功能基團(tuán)與檢測(cè)物質(zhì)反應(yīng)引起凝膠體積的變化，導(dǎo)致晶體的晶格常數(shù)發(fā)生變化，光線的衍射波長會(huì)發(fā)生變化，利用分光光度計(jì)測(cè)量偏移，則可以得到檢測(cè)物質(zhì)的濃度。智能光子晶體的凝膠骨架上接枝了苯硼酸用于檢測(cè)葡萄糖。檢測(cè)液中含有葡萄糖時(shí)，凝膠光子晶體會(huì)出現(xiàn)溶脹，其衍射的位移也發(fā)生變化，從而檢測(cè)出葡萄糖的濃度。該方法檢測(cè)靈敏度高，因此被廣泛應(yīng)用在重金屬離子、DNA、生物分子等的檢測(cè)中，但其制備難度較大，暫未形成量產(chǎn)化的工藝條件。

4.3 智能凝膠光柵檢測(cè)技術(shù)

智能凝膠光柵是基于微加工技術(shù)構(gòu)建智能凝膠光柵結(jié)構(gòu)，當(dāng)一束激光投射到光柵的表面時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，透射的光束會(huì)形成一定的衍射圖案，而在被檢測(cè)物質(zhì)的作用下，凝膠光柵的折射率和起伏的高度會(huì)發(fā)生變化，從而影響衍射效率和衍射光強(qiáng)。通過設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凝膠光柵的衍射光強(qiáng)或衍射效率的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的檢測(cè)。基于軟印刷的方法制備了納米級(jí)的PNB凝膠光柵用于檢測(cè)鉛離子。在鉛離子的作用下，凝膠會(huì)出現(xiàn)溶脹，導(dǎo)致光柵出現(xiàn)高低起伏，導(dǎo)致衍射效率的提高，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子的檢測(cè)。

4.4 智能微流控芯片檢測(cè)技術(shù)

微流控的應(yīng)用以微米尺度在微通道內(nèi)進(jìn)行微量流體的準(zhǔn)確處理與操控，有著先進(jìn)的技術(shù)，因?yàn)槠湔紦?jù)的空間較少，具備較高的集成化程度、分析時(shí)間較短，還不會(huì)消耗更多的產(chǎn)品，檢測(cè)精度較高，所以被大量地應(yīng)用到分析研究的領(lǐng)域內(nèi)。把智能化微凝膠聯(lián)合到微流控芯片中，將微凝膠響應(yīng)刺激信號(hào)之后體積等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁俊⒘飨虻确矫妫M(jìn)而可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行定量化表征智能微凝膠的微小刺激變化。Lin 等學(xué)者在研究中通過把光刻與光聚技術(shù)的融合應(yīng)用，從而形成了全新的旋轉(zhuǎn)紫外曝光法，在玻璃毛細(xì)管內(nèi)利用原位交聯(lián)聚合的方式可以形成圓柱的PNB 智能微凝膠，然后根據(jù)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)Pb2+的特異性識(shí)別，冠醚基團(tuán)識(shí)別Pb2+后形成穩(wěn)定的帶正電荷的18-冠-6/Pb2+主客體絡(luò)合物，從而就會(huì)導(dǎo)致在具體的智能凝膠網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)有高分子鏈上的冠醚之間會(huì)有靜電斥力升高的情況出現(xiàn)，同時(shí)，18-冠-6/Pb2+絡(luò)合物會(huì)導(dǎo)致智能凝膠親水性的提高，造成其微體積的變化，從而使得內(nèi)部溶液的流動(dòng)速度加快，通過流量計(jì)的方式進(jìn)行流速的檢測(cè)，掌握其變化的趨勢(shì)，檢測(cè)之后可以得到10-10mol/L 的Pb2+。智能微流控芯片檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，比如檢測(cè)時(shí)間短、靈敏度高等，但是需要聯(lián)合精細(xì)芯片制作工藝才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，否則將無法發(fā)揮出該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

5 展望

1.智能高分子材料在檢測(cè)過程中應(yīng)用靈敏檢測(cè)技術(shù)，在選擇的過程中需要根據(jù)高分子材料對(duì)待測(cè)物質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行確定，以保證其檢測(cè)的準(zhǔn)確性符合要求。在智能高分子材料的特異性響應(yīng)待測(cè)物質(zhì)的情況下，即使其樣品內(nèi)存在一定的雜質(zhì)，也不會(huì)對(duì)檢測(cè)的結(jié)論產(chǎn)生任何的影響。但是如果待測(cè)樣品內(nèi)有雜質(zhì)干擾檢測(cè)的結(jié)果，應(yīng)該在檢測(cè)之前實(shí)施預(yù)處理工作，將其中的雜質(zhì)去除掉。因此，還要研發(fā)出一種智能化的響應(yīng)待測(cè)物質(zhì)的高分子材料，或者研發(fā)出能夠去除雜質(zhì)的預(yù)處理技術(shù)。

2.微量位置的檢測(cè)過程中，刺激程度較低的情況下，容易造成智能高分子材料發(fā)生細(xì)微變化，一般的檢測(cè)設(shè)備并不能確定這種信號(hào)，要利用精密的電學(xué)、光學(xué)、流量檢測(cè)器等進(jìn)行模塊的檢測(cè)，然后可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，輔助檢測(cè)也會(huì)在某種程度上增加檢測(cè)系統(tǒng)的體積以及復(fù)雜性，需要提起足夠的重視。

3.選擇應(yīng)用不同種類的智能凝膠材料的作用，將其融入到各種檢測(cè)技術(shù)中，從而可以提高檢測(cè)水平。但是在具體的操作環(huán)節(jié)，還要綜合分析凝膠制備條件，比如溫度、紫外光照、pH 值等對(duì)于智能化凝膠制作的影響，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。因此，還要研發(fā)出先進(jìn)的制備方法或者全新的智能化高分子材料，以制作出各種先進(jìn)的新型智能凝膠材料。

4.智能高分子材料的檢測(cè)技術(shù)可以重復(fù)使用，但是會(huì)受到智能化高分子材料對(duì)于待測(cè)物質(zhì)的重復(fù)相應(yīng)特點(diǎn)。雖然能夠重復(fù)響應(yīng)待測(cè)物質(zhì)的智能高分子材料利用清洗移除內(nèi)部被檢測(cè)物質(zhì)就可以重復(fù)利用，但是不同物質(zhì)檢測(cè)要考慮到不同的要求，還要研發(fā)出可以逆向待測(cè)位置的新型高分子智能化材料，以滿足檢測(cè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)語

綜上所述，基于智能高分子材料靈敏檢測(cè)技術(shù)的研究和開發(fā)正在不斷深入，通過國內(nèi)外學(xué)者地不斷探究，越來越多基于該技術(shù)的應(yīng)用方案被設(shè)計(jì)和開發(fā)出來，并廣泛地應(yīng)用在化學(xué)、生物、醫(yī)藥等檢測(cè)領(lǐng)域。但這項(xiàng)技術(shù)還處于發(fā)展的階段，還未形成便捷、成熟且成本相對(duì)較低的推廣化應(yīng)用，未來還需要基于實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步開展研究。