近日，知名院校复旦大学李伟、赵东元院士团队设计制备了一种基于多重响应机制的Janus介孔器件用于不同气体的同时检测分析。研究者通过溶剂挥发诱导自组装（EISA）和选择性功能化的方法合成了具有不同活性位点——-NH2和-COOH基团——的介孔碳-氧化硅非对称复合薄膜。该Janus气体传感器件具有很好的选择性、超低的检测限以及差异化的响应时间，可以在H2S和NH3的混合气体体系中同时量化分析NH3及H2S的气体浓度。理论计算进一步解释了差异化响应时间的原因在于不同活性位点与检测气体之间的相互作用强度区别较大。其详细研究内容发表在Cell Press旗下材料学旗舰期刊Matter 上，博士研究生王瑞聪为第一作者，李伟研究员和赵东元院士为共同通讯作者。
图1. Janus介孔传感器件的制备过程。图片来源：Matter
通过在石英晶体微天平（QCM）谐振器的银电极连续的EISA过程，以及后续的选择性表面功能化技术，研究者构筑了Janus介孔传感器件（图1）。经过介孔氧化硅和介孔碳的双层薄膜结构的涂覆以及后续的高温煅烧过程，研究者们得到了介孔碳层具有-COOH基团的初步结构。随后，通过使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为掩蔽剂涂敷在介孔碳层用以保护-COOH基团，研究者对介孔氧化硅层进行了选择性氨基化。最终，在去除保护层PMMA之后，最终得到了具有-COOH和-NH2两种不同性质活性基团的Janus介孔器件。
图2. Janus介孔薄膜的结构。图片来源：Matter
截面的场发射扫描电镜（FESEM）（图2a）以及透射电镜（TEM）（图2b）图像证实，连续均匀的非对称性双层介孔结构由底部约100 nm厚的介孔氧化硅层及顶部约200 nm后的介孔碳层构成。进一步通过放大的TEM图像和相应的快速傅里叶变换转变（FFT）衍射图表明，介孔氧化硅层及介孔碳层分别具有高度有序的2D六方和3D立方不对称介观结构（图2c-e）。氮气吸附等温曲线（图2f）及孔径分布曲线（图2g）佐证了其高度有序的双模型不对称介孔结构。通过选择性功能化前后的红外光谱及X-射线光电子能谱（XPS）分析结果，研究者证明了Janus介孔器件中存在–NH2和-COOH两种不同性质的基团。
图3. Janus介孔传感器件的传感性能。图片来源：Matter
QCM传感器件通过感知传感材料吸附和解吸目标气体引起的震动频率的变化从而实现信号收集。在室温条件下，基于QCM的Janus介孔传感器件对NH3和H2S混合气体可以进行精确地量化分析，其模型图如图3a所示。与单一的介孔氧化硅器件和介孔碳器件相比，在单一的气体中Janus介孔器件会呈现相似感应信号，当将其置于H2S和NH3的混合气中时表现出响应时间阶梯状的响应信号（图3b）。进一步通过不同气体差异化响应时间来分析在不同浓度的纯H2S（图3h）、纯NH3（图3i）以及混合气体氛围下Janus介孔传感器件的频率位移，研究者得出了浓度与频率变化的线性图（图3g），从而可以精确地量化分析待检气体种类和浓度等信息。
此外，研究者还探究了在室温条件下单一的介孔碳器件和介孔氧化硅器件对相同浓度的不同气体的传感性能，结果表明其对于目标气体具有良好的选择性（图3c）。通过对机械混合涂敷的介孔碳和氧化硅传感性能的评估，证明了原位合成的Janus传感器件具有极佳地稳定性（图3d-f）。
图4. Janus介孔传感器件的传感机制。图片来源：Matter
研究者可控制备了具有不同介孔碳层厚度的Janus介孔传感器件，并研究了碳层厚度对最终传感器件性能的影响。结果表明，在实验厚度调控范围内，底层介孔氧化硅层的传感性能并没有受到顶层介孔碳层厚度的影响，说明介孔碳层和介孔氧化硅层具有独立的传感行为（图4a-c）。差异化的响应时间可以实现同时的多气体量化检测，研究者通过模型计算进一步探究响应时间存在明显差异的原因。通过计算得出，响应时间由脱附速率常数决定。而脱附速率常数取决于活性位点与目标气体之间相互作用的强弱，这意味着差异化响应时间是可实现且可控的。并且，研究者通过进一步的理论计算得出NH3和H2S的吸附自由能、理论响应时间及键长等信息，充分揭示了差异化响应时间的原因（图4d-f）。
综上，研究者通过简单的连续组装和选择性表面功能化策略制备了Janus介孔传感器件。该传感器件具有高度有序的不对称双介孔结构及不同性质的活性位点（–NH2和-COOH基团），提供了超大的可接触比表面积、通畅的扩散通道和丰富的不同性质的活性位点，从而可以实现同时地、快速地、高选择性地、实时地监测多种目标气体。并且，研究者通过进一步的理论计算揭示了差异化响应时间的原因，为可实现多重传感的复合纳米器件的构筑提供了一个可能的思路。
关于 气体传感器
气体传感器（gas sensor）在工业和家庭安全、环保、及生物医疗等研究领域扮演者不可或缺的角色，受到研究者们广泛关注。至今为止，传感器件的设计局限于针对单一气体的特定检测，可以同时检测分析不同气体的复合传感器件由于缺乏切实可行的综合传感平台，尚未得到充分的探索。
