吉大年夜研发超低湿度敏感纸实现对ppm级湿度情形的裸眼可视化检测

在东北这片地皮，她已经耕耘了 13 年。
期间，在智能相应变色染料与材料的研发上，已经积累不少履历。

图 | 盛兰（来源：盛兰）

2020 年，盛兰入选吉林大学“唐敖庆学者”青年学者。
为了相应国家人才发展计策，自 2020 年起吉林大学履行以匡亚明和唐敖庆老校长命名的“匡亚明/唐敖庆学者”人才岗位聘任项目。

该项目看重定量评价和定性评价相结合，武断破除“五唯”，需通过校内外同行专家评审，既要评价学术成果的代价影响，又要评价传授教化和人才培养方面的贡献。

盛兰说：“入选‘唐敖庆学者’青年学者岗位，学校会从薪资和博士招生上给予一定的支持，对付我们青年西席来说一种极大的鼓舞与勉励，能让我们更加安心地投入到科研之中。
”

而在前不久，她和团队研发出一款超低湿度敏感纸，首次实现了对 ppm（parts per million，百万分比浓度）级湿度（0.01 -100ppm）的裸眼可视化检测。

盛兰表示：“本研究冲破了超低湿度的检测长期以来仅能依赖昂贵半导体电子传感器这一现状，为超低湿度的检测供应了一种高效、便捷、经济的新策略，办理了人们一贯渴望办理但始终未能得到成功的技能难题。
”

提到湿度检测大家并不陌生，对付日常湿度检测的研究和产品比如指针或电子的湿度计，人们理解得相对较多。

但是，对付超低湿度（<100ppm）的检测/监测每每被忽略。
事实上，超低湿度环境无论对付科研（比如“无水无氧”反应、“无水无氧”操作仓），还是对高新制造业（如芯片封装、锂离子电池、电力传输等），乃至是航空探测（以是否有水源判断是否有生命体）都十分主要。

然而，现有的湿度相应材料对水的相应行为，绝大部分都是体相（如半导体材料、光子晶体等）或聚拢态层面的，这使得其相应阈值和可调性相对受限，故更适用于日常所需的相对较高湿度的检测。

而超低湿度对阈值有更低的哀求，这意味着对湿度相应材料提出了更高的哀求，这也是当前超低湿度电子传感器价格昂贵的紧张缘故原由之一。

其余，它利用时须要繁芜的再生循环系统以及外部电源驱动，这极大地限定了它们的运用处所。

针对上述问题，盛兰和团队从生命系统中酶的构造与事情机制获取灵感，提出了一种“类酶”的仿生构筑策略，通过环绕分子水平的水敏变色身分，并在其周围构筑多级立体多方位空间固定的微环境来活化分子的湿度敏感性。

所选用的分子水平的水敏变色身分是基于分子异构化的水致变色分子开关。
水致变色分子开关是指在水的刺激下能发生关环态到开环态逐渐并完备转换，并伴随着明显颜色变革的一类“新兴”分子开关，此前由该课题组率先提出与宣布 [1]。

而多羟基的微环境利于活化其水致开关环。
为了验证“类酶”仿生构筑策略的有效性，课题组通过化学接枝和自下而上的自组装，将硝基噁唑啉水致变色分子开关单元，均匀地锚定在纤维素空间固定的、多级次的多羟基微环境中。

这款超低湿度敏感纸的优点非常明显，制备大略、本钱低廉、无需额外连接电气设备，易于携带和利用，为须要超低环境湿度检测的用户供应了更加经济、环保、便携的选择。

近日，干系论文以《“类酶”空间固定多羟基微环境激活的水致变色分子开关用于裸眼检测 ppm 级湿度》（Enzyme-Like”Spatially Fixed Polyhydroxyl Microenvironment-Activated Hydrochromic Molecular Switching for Naked Eye Detection of ppm Level HumidityE）为题揭橥在 Advanced Materials 上，卫小燕是第一作者，盛兰担当通讯作者。

图 | 干系论文（来源：Advanced Materials）

据先容，只管在水致变色分子开关设计、合成及材料制备方面，研究团队拥有丰富的履历 [2]。

但是，由于目前关于超低湿度的研究及宣布还非常稀少，可选的超低湿度测试场所或仿照环境非常有限，在常规环境下高湿度会给材料性子的测试带来滋扰，此外固相材料的事情机制也相对繁芜。

因此，每一步对付他们来说都颇具寻衅，尤其是对付材料超低湿度相应性子的测试。

一方面，由于超低湿度相应材料的相应阈值远远低于日常空气湿度，它非常随意马虎受到空气中水分的影响，对测试哀求比较高；另一方口试验测试所需的超低湿度环境也比较难以构筑，须要反复试错、不断优化，借此积攒履历以完成材料制备和数据采集。

实验初期，为了借用不同水含量的手套箱，卫小燕常常奔忙于不同的实验楼，还得等到晚上没人用手套箱时再去实验。

研究后期，考虑到借用的手套箱里面一样平常都存放了较多的药品，为了打消药品挥发可能带来的影响，卫小燕通过不断的调研、以及与专业手套箱工程师的反复沟通，得到了威格手套箱发卖商的支持与帮助。

“这里，非常感谢威格科技（苏州）有限公司的大力支持与帮助。
终极，在卫小燕的来回奔波下，终于完成了干系数据的采集事情。
”盛兰表示。

据先容，手套箱水含量的测尝尝验非常必要和主要，它验证了此超低湿度敏感纸的实用可行性。

“再次感谢我的学生卫小燕，感谢她的信赖和坚持。
这里面大部分事情是她在硕士期间完成的，目前她在我的辅导下，正在攻读博士研究生。
”盛兰说。

在运用前景上，当处于超低湿度时，有些场所须要严格掌握湿度，这时即可利用“类酶”仿生策略构筑的超低湿度水敏纸（UHSP）进行检测。

（来源：Advanced Materials）

“目前我们想到的两个运用模式和场合是：1. 它能以便携式 ppm 湿度检测盒的形式做事于科研实验室，如对手套箱内的实时湿度进行校正或评估，对无水无氧反应条件做出指示或评估等；2. 以超低湿度监测报警器的形式，运用于芯片封装或锂离子电池等高新制造业生产车间。
”盛兰表示。

同时，其也非常期待能跟感兴趣的企业携手互助，推进这项成果走向实际运用。

目前，该研究还紧张处于实验室结果阶段，但与现有的超低湿度检测手段（分外的电子湿度传感器和露点仪）比较，其展现的上风（尤其是在便携性和价格方面）还是非常明显。

因此，他们正在根据实用需求，不断地完善干系材料或产品，希望该项研究能早日走出实验室，做事于高新制造、科研、航空等领域。

参考资料：

1.Sheng, L., Li, M., Zhu, S., Li, H., Xi, G., Li, Y. G., Wang, Y., Li, Q., Liang, S., Zhong, K., Zhang, S. X.-A. Nat. Commun. 2014, 5, 3044.

2.Xi, G., Sheng, L., Zhang, I., Du, J., Zhang, T., Chen, Q., Li, G., Zhang, Y., Song, Y., Li, J., Zhang, Y.-M., Zhang, S. X.-A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 38032-38041; Xi, G., Sheng, L., Du, J., Zhang, J., Li, M., Wang, H., Ma, Y., Zhang, S. X.-A. Nat. Commun. 2018, 9, 5099; Qin, T., Sheng, L., Zhang, S. X.-A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 40838-40843; Qin, T., Han, J., Geng,Y., Ju, L., Sheng, L., Zhang, S. X.-A. Chem. Eur. J., 2018, 24, 12539-12545; Ju, L., Gao, W., Zhang, J., Qin, T., Du, Z., Sheng, L., Zhang, S. X.-A. J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 2806-2811.