基于智能高分子材料的靈敏檢測技術研究進展

孫曉洋

摘 要 21世紀以來，全球面臨著更加嚴峻的環境、能源、醫藥等方面的挑戰，也對高分子材料這一多功能材料的科研和發展提出了更高的要求，智能高分子材料這一概念應運而生，并得到了快速的發展。近年來，在靈敏檢測領域，該技術的應用也越來越廣泛。基于此，本文從智能高分子材料的概念出發，從流量信號、電信號、光信號型三種技術層面對智能高分子材料在靈敏檢測領域的研究進行探討，以期能促進行業的發展。

關鍵詞 智能高分子材料 靈敏技術 檢測信號

中圖分類號：TB324;TB381 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0013-03

1 前言

在上個世紀八十年代初，人們逐步開展關于智能高分子材料設計和開發的研究，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境變化并能夠進行自動判斷，從而實現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性來實現對環境的響應，從而成為各種敏感元件的材料，其被譽為材料科學史上的一大突破[1]。

有害化學物質和微生物的檢測對于環境保護、疫情防控等具有重要的現實意義。而對這些微量物質的檢測往往需要復雜的技術才能夠實現，而且輸出的結果技術性較強，直觀性較差。為了提高檢測的高效性，需要將這些專業化的參數進行放大并轉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進行檢測，但這些技術需要依賴精密的儀器和專業的人員才能實現，同時設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，具有重要的應用價值[2]。

2 利用智能高分子材料將檢測信號轉化為流量信號的檢測技術

2.1 智能開關膜檢測技術

智能開關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致其荷電性、親疏水性發生變化，從而改變智能高分子鏈的構象。高分子鏈構象的改變帶來的直觀變化就是智能開關膜滲透性的改變，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膜，其制備過程和響應機理如圖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構，PNB微球則會穿過骨架遷移至智能開關膜的表面，形成高效、高通量的響應。當待測溶液中含有鉛離子時，PNB微球上的響應分子會與鉛離子結合形成包結物，高分子鏈段由于靜電的作用而相互排斥，從而導致膜孔的大小減小，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。根據擬合可以找到通量與鉛離子濃度的關系，從而實現對鉛離子的高精端檢測。同時，該反應在高溫時可以實現逆反應，能夠重復使用。目前，其已被廣泛應用在實時水資源質量安全監測領域。

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行二次聚合，制備得能對凝血酶進行響應的智能開關膜。在初始狀態下，DNA分子會與凝血酶適體相結合形成雙鏈DNA結構，該結構帶有強負電，因此，高分子鏈段會處于伸展狀態，智能開關膜的膜孔處于關閉狀態。而當檢測環境中出現凝血酶時，凝血酶適體會與凝血酶相結合，原有穩固的雙鏈結構被破壞，基材上的負電也減少，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

微流控是指在微通道（微米尺度）內對微量流體進行精確操控和處理的一項新興技術。智能微凝膠的開發給該項技術帶來了新的發展方向，通過在微流控芯片中結合智能微凝膠，可以將材料的物性變化轉變為流體流向或流量的變化，從而實現精準定量化檢測。Lin等通過研究開發出一種通過旋轉紫外曝光法合成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合物，高分子鏈由于強靜電斥力作用而使通量減小。同時，絡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。利用光聚合技術以丙烯酰胺未單體制備出能識別響應雙酚A（BPA）的智能微凝膠，其中，承擔“傳感器”功能的是β-環糊精（β-CD）。當介質中存在BPA時，β-CD會其進行特異性交聯，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性，還將微凝膠設計成單通道，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化為電信號的檢測技術

根據壓阻效應可知，半導體在受到載荷作用時，其電阻會發生變化，而這種電阻變化可以基于惠斯通電橋原理轉化成電壓變化輸出，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合物，當兩者絡合后，凝膠內部的靜電斥力減小，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用。

場效應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合，當待測物質與智能高分子反應后，場效應晶體管中的輸出電流會發生變化，通過電流的變化間接得到物質的濃度。通過在場效應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合，使得凝膠表面的親水性提高，滲透壓的變化導致凝膠內部膨脹，柵極表面的電荷出現變化，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化為光信號的檢測技術

4.1 智能微懸臂梁檢測技術

一般來說，智能微懸臂梁檢測技術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發生反應，從而出現應力差，導致微懸臂梁彎曲。而照射在微懸臂梁上的光線的反射路徑會出現偏移，通過對光線偏移位置的追蹤，即可實現物質的檢測。通過在微懸臂梁的一側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-具有響應性，兩者可以形成離子對，導致凝膠內部滲透壓降低，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

智能光子晶體的制備通常是在凝膠預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構，最后將凝膠聚合即可得到，其檢測物質的原理是功能基團與檢測物質反應引起凝膠體積的變化，導致晶體的晶格常數發生變化，光線的衍射波長會發生變化，利用分光光度計測量偏移，則可以得到檢測物質的濃度。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溶脹，其衍射的位移也發生變化，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，暫未形成量產化的工藝條件。

4.3 智能凝膠光柵檢測技術

智能凝膠光柵是基于微加工技術構建智能凝膠光柵結構，當一束激光投射到光柵的表面時會發生衍射，透射的光束會形成一定的衍射圖案，而在被檢測物質的作用下，凝膠光柵的折射率和起伏的高度會發生變化，從而影響衍射效率和衍射光強。通過設備實時監測凝膠光柵的衍射光強或衍射效率的變化即可實現對物質的檢測。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，凝膠會出現溶脹，導致光柵出現高低起伏，導致衍射效率的提高，實現對鉛離子的檢測。

4.4 智能微流控芯片檢測技術

微流控的應用以微米尺度在微通道內進行微量流體的準確處理與操控，有著先進的技術，因為其占據的空間較少，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品，檢測精度較高，所以被大量地應用到分析研究的領域內。把智能化微凝膠聯合到微流控芯片中，將微凝膠響應刺激信號之后體積等參數會發生變化，逐步轉變為流量、流向等方面，進而可以更加準確地進行定量化表征智能微凝膠的微小刺激變化。Lin等學者在研究中通過把光刻與光聚技術的融合應用，從而形成了全新的旋轉紫外曝光法，在玻璃毛細管內利用原位交聯聚合的方式可以形成圓柱的PNB智能微凝膠，然后根據檢測的標準實現Pb2+的特異性識別，冠醚基團識別Pb2+后形成穩定的帶正電荷的 18-冠-6/Pb2+主客體絡合物，從而就會導致在具體的智能凝膠網絡體系內有高分子鏈上的冠醚之間會有靜電斥力升高的情況出現，同時，18-冠-6/Pb2+絡合物會導致智能凝膠親水性的提高，造成其微體積的變化，從而使得內部溶液的流動速度加快，通過流量計的方式進行流速的檢測，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應用到實際中有著非常明顯的優勢，比如檢測時間短、靈敏度高等，但是需要聯合精細芯片制作工藝才能實現應用，否則將無法發揮出該技術的優勢。

5 展望

1.智能高分子材料在檢測過程中應用靈敏檢測技術，在選擇的過程中需要根據高分子材料對待測物質的特點進行確定，以保證其檢測的準確性符合要求。在智能高分子材料的特異性響應待測物質的情況下，即使其樣品內存在一定的雜質，也不會對檢測的結論產生任何的影響。但是如果待測樣品內有雜質干擾檢測的結果，應該在檢測之前實施預處理工作，將其中的雜質去除掉。因此，還要研發出一種智能化的響應待測物質的高分子材料，或者研發出能夠去除雜質的預處理技術。

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生細微變化，一般的檢測設備并不能確定這種信號，要利用精密的電學、光學、流量檢測器等進行模塊的檢測，然后可以實現檢測信號的轉化和應用，輔助檢測也會在某種程度上增加檢測系統的體積以及復雜性，需要提起足夠的重視。

3.選擇應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中，從而可以提高檢測水平。但是在具體的操作環節，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，以滿足實際應用的需要。因此，還要研發出先進的制備方法或者全新的智能化高分子材料，以制作出各種先進的新型智能凝膠材料。

4.智能高分子材料的檢測技術可以重復使用，但是會受到智能化高分子材料對于待測物質的重復相應特點。雖然能夠重復響應待測物質的智能高分子材料利用清洗移除內部被檢測物質就可以重復利用，但是不同物質檢測要考慮到不同的要求，還要研發出可以逆向待測位置的新型高分子智能化材料，以滿足檢測應用的標準要求。

6 結語

綜上所述，基于智能高分子材料靈敏檢測技術的研究和開發正在不斷深入，通過國內外學者地不斷探究，越來越多基于該技術的應用方案被設計和開發出來，并廣泛地應用在化學、生物、醫藥等檢測領域。但這項技術還處于發展的階段，還未形成便捷、成熟且成本相對較低的推廣化應用，未來還需要基于實際應用進一步開展研究。

參考文獻：

[1] 姚萌奇.智能高分子材料的制備及其性能研究[D].蘭州：西北師范大學，2015.

[2] 沈鋒，楊麗芳，成國祥，等.智能高分子材料的研究進展[J].材料研究學報，2000，14（01）：11.