基于智能高分子材料的靈敏檢測技術(shù)研究進(jìn)展

孫曉洋

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

1 前言

在上個世紀(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感知周邊環(huán)境變化并能夠進(jìn)行自動判斷，從而實現(xiàn)指令動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)勢在于其能夠依靠其對溫度、離子強度、濕度、光照、聲音等因素的敏感性和響應(yīng)性來實現(xiàn)對環(huán)境的響應(yīng)，從而成為各種敏感元件的材料，其被譽為材料科學(xué)史上的一大突破[1]。

有害化學(xué)物質(zhì)和微生物的檢測對于環(huán)境保護(hù)、疫情防控等具有重要的現(xiàn)實意義。而對這些微量物質(zhì)的檢測往往需要復(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，直觀性較差。為了提高檢測的高效性，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、光信號等。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、等離子光譜等檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，但這些技術(shù)需要依賴精密的儀器和專業(yè)的人員才能實現(xiàn)，同時設(shè)備成本以及檢測成本極高。而通過智能高分子將微觀信號轉(zhuǎn)換成直觀信號，極大地提高了檢測的效率，同時降低了檢測的成本，具有重要的應(yīng)用價值[2]。

2 利用智能高分子材料將檢測信號轉(zhuǎn)化為流量信號的檢測技術(shù)

2.1 智能開關(guān)膜檢測技術(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”功能的基團修飾在作為“執(zhí)行器”的智能高分子上。通過修飾的基團來識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，可以通過檢測其滲透性的變化即可定量地檢測出特定分子或離子的含量。通過VIPS法制備出能夠檢測鉛離子的智能開關(guān)膜，其制備過程和響應(yīng)機理如圖1 所示。首先將PNB 高分子微球與PES鑄膜液混合均勻，兩者分散過程中會形成三維互穿的骨架結(jié)構(gòu)，PNB 微球則會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)待測溶液中含有鉛離子時，PNB 微球上的響應(yīng)分子會與鉛離子結(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，從而實現(xiàn)對鉛離子的高精端檢測。同時，該反應(yīng)在高溫時可以實現(xiàn)逆反應(yīng)，能夠重復(fù)使用。目前，其已被廣泛應(yīng)用在實時水資源質(zhì)量安全監(jiān)測領(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)帶有強負(fù)電，因此，高分子鏈段會處于伸展?fàn)顟B(tài)，智能開關(guān)膜的膜孔處于關(guān)閉狀態(tài)。而當(dāng)檢測環(huán)境中出現(xiàn)凝血酶時，凝血酶適體會與凝血酶相結(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技術(shù)

微流控是指在微通道（微米尺度）內(nèi)對微量流體進(jìn)行精確操控和處理的一項新興技術(shù)。智能微凝膠的開發(fā)給該項技術(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，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定量化檢測。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可以特異性識別鉛離子，然后形成帶正電的絡(luò)合物，高分子鏈由于強靜電斥力作用而使通量減小。同時，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，通過流量計檢測流速的變化即可檢測出檢測液中鉛離子的含量。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，β-CD 會其進(jìn)行特異性交聯(lián)，從而使微凝膠收縮通量減小，從而檢測出BPA 的含量。為了提高檢測的精準(zhǔn)性，還將微凝膠設(shè)計成單通道，使得通量的變化率更大，更有效的測出BPA 的含量。

3 利用智能高分子材料將檢測信號轉(zhuǎn)化為電信號的檢測技術(shù)

根據(jù)壓阻效應(yīng)可知，半導(dǎo)體在受到載荷作用時，其電阻會發(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未共用電子對的氮原子，氮原子可以特異性的識別銅離子形成絡(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。

場效應(yīng)晶體管是研究人員在智能高分子材料靈敏檢測的另一個研究方向。通過將智能高分子材料與柵極相結(jié)合，當(dāng)待測物質(zhì)與智能高分子反應(yīng)后，場效應(yīng)晶體管中的輸出電流會發(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”的凝膠層用于檢測溶液中的葡萄糖，其原理是苯硼酸通過共價鍵與葡萄糖相結(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信號轉(zhuǎn)化為光信號的檢測技術(shù)

4.1 智能微懸臂梁檢測技術(shù)

一般來說，智能微懸臂梁檢測技術(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，微凝膠或功能基團會與待檢測物質(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出現(xiàn)偏移，通過對光線偏移位置的追蹤，即可實現(xiàn)物質(zhì)的檢測。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CrO42-具有響應(yīng)性，兩者可以形成離子對，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，高分子鏈段中含有能夠特異性識別Be2+的基團，并與其形成絡(luò)合物，由于靜電排斥作用的增大，分子鏈擴張，受力平衡被打破，微懸臂梁彎曲，從而檢測到Be2+的含量。

4.2 智能光子晶體檢測技術(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，其檢測物質(zhì)的原理是功能基團與檢測物質(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，光線的衍射波長會發(fā)生變化，利用分光光度計測量偏移，則可以得到檢測物質(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葡萄糖。檢測液中含有葡萄糖時，凝膠光子晶體會出現(xiàn)溶脹，其衍射的位移也發(fā)生變化，從而檢測出葡萄糖的濃度。該方法檢測靈敏度高，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會發(fā)生衍射，透射的光束會形成一定的衍射圖案，而在被檢測物質(zhì)的作用下，凝膠光柵的折射率和起伏的高度會發(fā)生變化，從而影響衍射效率和衍射光強。通過設(shè)備實時監(jiān)測凝膠光柵的衍射光強或衍射效率的變化即可實現(xiàn)對物質(zhì)的檢測。基于軟印刷的方法制備了納米級的PNB凝膠光柵用于檢測鉛離子。在鉛離子的作用下，凝膠會出現(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，實現(xiàn)對鉛離子的檢測。

4.4 智能微流控芯片檢測技術(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)，因為其占據(jù)的空間較少，具備較高的集成化程度、分析時間較短，還不會消耗更多的產(chǎn)品，檢測精度較高，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)刺激信號之后體積等參數(shù)會發(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)檢測的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)Pb2+的特異性識別，冠醚基團識別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有靜電斥力升高的情況出現(xiàn)，同時，18-冠-6/Pb2+絡(luò)合物會導(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)部溶液的流動速度加快，通過流量計的方式進(jìn)行流速的檢測，掌握其變化的趨勢，檢測之后可以得到10-10mol/L 的Pb2+。智能微流控芯片檢測技術(shù)應(yīng)用到實際中有著非常明顯的優(yōu)勢，比如檢測時間短、靈敏度高等，但是需要聯(lián)合精細(xì)芯片制作工藝才能實現(xiàn)應(yīng)用，否則將無法發(fā)揮出該技術(shù)的優(yōu)勢。

5 展望

1.智能高分子材料在檢測過程中應(yīng)用靈敏檢測技術(shù)，在選擇的過程中需要根據(jù)高分子材料對待測物質(zhì)的特點進(jìn)行確定，以保證其檢測的準(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)，也不會對檢測的結(jié)論產(chǎn)生任何的影響。但是如果待測樣品內(nèi)有雜質(zhì)干擾檢測的結(jié)果，應(yīng)該在檢測之前實施預(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，一般的檢測設(shè)備并不能確定這種信號，要利用精密的電學(xué)、光學(xué)、流量檢測器等進(jìn)行模塊的檢測，然后可以實現(xiàn)檢測信號的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，輔助檢測也會在某種程度上增加檢測系統(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技術(shù)中，從而可以提高檢測水平。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 值等對于智能化凝膠制作的影響，以滿足實際應(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技術(shù)可以重復(fù)使用，但是會受到智能化高分子材料對于待測物質(zhì)的重復(fù)相應(yīng)特點。雖然能夠重復(fù)響應(yīng)待測物質(zhì)的智能高分子材料利用清洗移除內(nèi)部被檢測物質(zhì)就可以重復(fù)利用，但是不同物質(zhì)檢測要考慮到不同的要求，還要研發(fā)出可以逆向待測位置的新型高分子智能化材料，以滿足檢測應(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)藥等檢測領(lǐng)域。但這項技術(shù)還處于發(fā)展的階段，還未形成便捷、成熟且成本相對較低的推廣化應(yīng)用，未來還需要基于實際應(yīng)用進(jìn)一步開展研究。