基于電信號的化學傳感器一直是有機氣體檢測器的重要元件，這主要是因為電信號本身具有可放大性，從而可以提高檢測器的靈敏度。該領域之前的研究主要都是基于摻雜如炭黑、銀粒子和碳納米管等導電材料的聚合物膜，通過有機氣體接觸聚合物膜時產生溶脹變化，從而引起電信號變化的原理進行檢測。但是這種方法需要制備較大面積的膜，成本較高且靈敏度受到限制。因此，制備陣列化的一維納米線結構來替代二維膜結構，通過增加檢測元件的比表面積來提高傳感器的靈敏度，具有重要意義，同時前期的工作中也極少有通過調控高分子結構來提高檢測器效率的報道。
近日，中科院理化所江雷院士團隊通過利用固體表面浸潤性原理，將銀納米粒子溶液形成取向性液橋，再通過溶劑揮發制備出大面積規整的銀粒子納米線，在此基礎上通過二次去浸潤過程，將聚合物包覆在銀粒子納米線表面，制備一維同軸復合型納米線陣列。當外層聚合物接觸有機氣體時發生溶脹現象，導致聚合物鏈對內層銀粒子產生擠壓，使納米線的整體導電性下降。不同有機氣體引起納米線導電性下降的程度存在差異，從而實現對不同有機氣體的檢測。
圖1基于浸潤性原理，利用二次去浸潤方法制備一維銀粒子/聚合物復合納米線陣列的方法及其對有機氣體檢測的原理
所制備的一維檢測器元件具有良好的有機氣體檢測性能，檢測器在響應時間、可擦除性、檢測范圍等方面均具有優異性能，其最低檢測限可以達到0.5ppm級別。在此基礎上通過利用不同種類的十種商用高分子材料分別作為包覆外層，制備出十種不同銀粒子/聚合物復合納米線陣列作為檢測元件，利用這些元件對甲醇、乙醇、苯、甲苯、正己烷和丙酮等有機氣體進行檢測，并將將數據進行主成分分析，證明利用這十種檢測元件可以精準區分每一種氣體，從而構成一個完整的氣體識別檢測器。
圖2（a）檢測器響應時間，（b）檢測器循環檢測效果，（c）不同有機氣體分壓下檢測器性能，（d）最低檢測限測試，（e）通過主成分分析法運算實現不同氣體的檢測識別，（f）通過主成分分析法運算驗證未知氣體種類
在上述工作基礎上，團隊首次通過調整聚合物的側鏈結構來實現對性質相似有機氣體的精確檢測。團隊合成出具有不同側鏈結構的聚醚砜材料（PES-R），并將其分別作為包覆層構建出不同的銀粒子/聚合物復合納米線陣列，實現對甲醇和乙醇的區分。利用相似相容原理以及通過漢森溶度參數進行理論計算，可以確定出對甲醇和乙醇區分度最高的聚合物結構，從而利用這種聚合物制備檢測器元件實現對甲醇和乙醇混合氣體中各組分具體含量的精確識別。
圖3（a）設計具有不同側鏈結構的聚醚砜材料，利用側鏈與甲醇和乙醇氣體作用力差異實現對甲醇和乙醇的區分檢測，（b）不同側鏈對于甲醇和乙醇檢測的區分度效果，（c）通過漢森溶度參數運算驗證不同側鏈與甲醇和乙醇的作用力差異，（d）檢測器對甲醇和乙醇混合氣體中各組分含量的檢測
以上成果發表在Small（Small, 2019）上。論文第一作者為中科院理化所博士后姜翔宇，通訊作者為中科院理化所江雷院士、張錫奇副研究員和吳雨辰博士。
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