王铁&易兰花&薛振杰Anal. Chem.：高灵敏度、高稳定性的比色气凝胶气体传感器!

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研究内容

环境中甲酸蒸汽的检测对人类健康和安全极为重要。利用金属有机框架(MOFs)检测气体分子是一种有吸引力的策略。然而，具有高灵敏度和机械稳定性的基于MOFs的气体传感器的合理设计和构建仍然是一个重大挑战。

湘潭大学易兰花、天津理工大学王铁和薛振杰报道了一种通过冰模板辅助、MOFs颗粒组装的比色气凝胶传感器的简单方法。结果显示，与用于检测甲酸分子的传统薄膜传感器相比，气凝胶传感器表现出8倍的检测下限、15倍的低浓度灵敏度、34倍的响应时间和更高的稳定性。相关工作以“Colorimetric Aerogel Gas Sensor with High Sensitivity and Stability”为题发表在国际著名期刊Analytical Chemistry上。

研究要点

要点1.作者利用冰模板辅助策略，将MOF颗粒与化学响应染料作为指示剂组装成3D多孔结构，该结构被构建为比色气凝胶传感器(CAS)，实现检测结果的高灵敏度、快速响应和可视化。

要点2.交错薄片结构提供了流动气体的高空气体积进气，为高度流动的目标分子产生足够的接触反应概率。此外，交错的薄片结构提供了传感器的抗应力性、增强了机械稳定性。

要点3.动态响应实验表明，与用于检测甲酸分子的传统薄膜传感器相比，气凝胶传感器表现出8倍的检测下限、15倍的低浓度灵敏度、34倍的响应时间和更高的稳定性。

该方法在快速实时检测目标分子方面显示出巨大的潜力，并在各种气敏材料的结构构建中表现出优异的性能。

研究图文

图1.（a）MOFs组装膜和（b）MOFs装配气凝胶的气体分子的机械稳定性和吸附效率的示意图。

图2.（a）比色膜传感器和气凝胶传感器的组装过程示意图。（b）苯酚红@ZIF-8-PVA化合物的合成原理，氢键接枝的PVA作为粘合剂聚合物来稳定组装的ZIF-8结构，碱性苯酚红与ZIF-8键合。（c）薄膜结构的低倍和高倍SEM。（d）不同ZIF-8-PVA含量的浓度因子的气凝胶结构的低倍和高倍SEM。（e）各种气凝胶结构的层间距；插图：气凝胶结构的层间距离的变化趋势示意图。

图3.（a）压缩变形试验图(上)；测试前后支撑79 g重量的薄膜和气凝胶结构的光学照片。（b）浓度因子和变形之间的关系。（c）气凝胶结构的压缩应力-应变曲线。（d）气凝胶-0.80、0.25和0.17三种典型结构的COMSOL力学模拟显示了在外应力作用下的应力分布和位移分布。

图4.（a）基于比色变化检测甲酸的传感机制。（b）色差图的制作过程的示意图。（c）当暴露于100 ppm甲酸蒸汽时，比色膜和气凝胶传感器在不同时间的颜色响应的数值。（d）薄膜和气凝胶气体传感器的响应灵敏度(左，黑线)和变色程度(右，白线)。变色度=(EDs-100/EDs-200)×100%，EDs-100是比色传感器在8分钟后的平衡检测值。EDs‑200是暴露于200 ppm甲酸蒸汽的比色传感器的平衡检测值。（e）COMSOL气体浓度场模拟。

图5.（a）ZPP薄膜和ZPP气凝胶暴露于不同浓度甲酸蒸汽的色差图。（b，c）ZPP膜和ZPP气凝胶结构的ED值显示为甲酸蒸汽的浓度范围为12-160 ppm；甲酸蒸气的线性检测范围为12至60 ppm，R2 Aerogel=0.9995，R2 Film=0.9717。（d）ZPP膜和ZPP气凝胶结构的单位浓度响应灵敏度。（e）比色响应偏差的再现性分析，评估气凝胶和膜传感器在暴露于来自不同批次样品的60 ppm甲酸蒸汽时的稳定性。（f）当暴露于浓度为60 ppm的各种气体化学分子、浓度为1000 ppm的CO2和纯N2时，评价气凝胶传感器的比色响应。（g）比色气凝胶传感器在不同温度下暴露于60 ppm甲酸蒸汽时进行测试。

文献详情

Colorimetric Aerogel Gas Sensor with High Sensitivity and Stability

Xiaoli Xia, Ruonan Wu, Lei Zhang, Xiangyu Chen, Yanling Yan, Jikun Yin, Jin Ren, Hongkang Li, Jinzhong Yin, Zhenjie Xue,* Lanhua Yi,* Tie Wang*

Anal. Chem.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c01634

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