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- 流動供能,無需插電:這款新型傳感器可實時捕捉水中有毒胺類污染
- 來源:東京科學(xué)研究所 發(fā)表于 2025/9/11
在偏遠山區(qū)的溪流旁,或是突發(fā)污染事故的河流邊,傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備往往因笨重、依賴外部電源而 “束手無策”。隨著全球水污染問題日益嚴峻,對便捷、低成本、實時的污染物檢測技術(shù)需求愈發(fā)迫切。近日,日本東京理科大學(xué)(Science Tokyo)的研究團隊交出了一份創(chuàng)新答卷 —— 他們研發(fā)出一款完全依靠液體流動供能的水污染傳感器,無需外接電源,就能通過發(fā)光信號精準(zhǔn)檢測水中的有毒胺類物質(zhì),為偏遠地區(qū)、應(yīng)急場景下的水質(zhì)監(jiān)測開辟了新路徑。該研究成果已于 2025 年 9 月 8 日發(fā)表在國際頂級期刊《自然・通訊》(Nature Communications)上。
傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),尤其是針對有機污染物(如胺類)的檢測,常依賴大型實驗室設(shè)備,不僅成本高昂、操作復(fù)雜,還需要穩(wěn)定的電力供應(yīng),這使其在缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠地區(qū)或緊急污染事件中難以快速部署。而東京理科大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程系稻木伸介(Shinsuke Inagi)教授帶領(lǐng)的團隊,正是瞄準(zhǔn)了這一痛點,將目光投向了 “電化學(xué)發(fā)光(ECL)” 技術(shù) —— 一種通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光信號的檢測方法,并突破性地為其賦予了 “自供電” 能力。
電化學(xué)發(fā)光技術(shù)本身并非全新概念,其核心原理是利用兩種關(guān)鍵分子的 redox 反應(yīng)(氧化還原反應(yīng)):作為發(fā)光源的 “發(fā)色團”,以及作為犧牲劑的 “共反應(yīng)物”。當(dāng)這兩種分子發(fā)生反應(yīng)時,發(fā)色團會被激發(fā)至高能態(tài),待其回落至基態(tài)時便會釋放出光,光的亮度或有無即可判斷目標(biāo)污染物是否存在。但傳統(tǒng)的電化學(xué)發(fā)光檢測必須依賴外部電源驅(qū)動反應(yīng),而稻木團隊的創(chuàng)新之處在于,他們用 “流動電勢” 替代了外部電源 —— 即利用檢測液體本身的流動來產(chǎn)生電能,讓傳感器實現(xiàn) “自給自足”。
為實現(xiàn)這一設(shè)計,團隊打造了一款微流體裝置,其結(jié)構(gòu)看似簡單卻暗藏巧思:裝置包含兩個分別裝有鉑絲電極的腔室,中間通過一條填充了多孔材料(如酚醛樹脂整體材料)的通道連接,電極則與電流表相連,構(gòu)成一個 “分裂雙極電極系統(tǒng)”。當(dāng)液體(哪怕是用手動注射器推動的液體)流經(jīng)中間通道時,會與多孔材料表面發(fā)生相互作用,產(chǎn)生最高可達 2-3 伏的流動電勢 —— 這個電壓足以觸發(fā)電極處的氧化還原反應(yīng),為電化學(xué)發(fā)光過程供能。
在分子選擇上,團隊也進行了精準(zhǔn)搭配:他們將苯并噻二唑 - 三苯胺(BTD-TPA)作為發(fā)色團沉積在陽極表面,同時選用三正丙胺(TPrA)作為共反應(yīng)物。之所以選擇檢測 “胺類物質(zhì)”,是因為這類化合物廣泛應(yīng)用于化工、制藥等工業(yè)領(lǐng)域,卻具有顯著毒性,部分胺類甚至被證實具有致癌性和致基因突變性,一旦流入水體,會對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴重威脅。
實驗數(shù)據(jù)顯示,這款傳感器的性能遠超預(yù)期:當(dāng)含有三正丙胺的溶液流經(jīng)裝置時,流動電勢會驅(qū)動陽極處的胺類物質(zhì)與發(fā)色團同時發(fā)生氧化,進而引發(fā)一系列反應(yīng)并釋放出可見光 —— 這種光信號強度足以被普通數(shù)碼相機捕捉,即便電壓低至 2.3 伏,仍能檢測到清晰信號。除了三正丙胺,該傳感器還能識別其他常見胺類,如 2-(二丁基氨基)乙醇、三乙醇胺(盡管檢測效率略有下降);更重要的是,它在蒸餾水和自來水中均能精準(zhǔn)捕捉到痕量胺類,對三正丙胺的檢測限更是低至 0.01 毫摩爾,足以滿足實際水質(zhì)監(jiān)測的靈敏度需求。
“這項無需電源的電化學(xué)發(fā)光技術(shù),為利用自然流動能量監(jiān)測河流、管道污染物提供了新可能! 稻木伸介教授表示,該技術(shù)的應(yīng)用場景遠不止環(huán)境監(jiān)測 —— 未來還可擴展到食品水質(zhì)檢測、生物戰(zhàn)劑識別等領(lǐng)域。團隊的愿景是,隨著技術(shù)進一步優(yōu)化和耐用性提升,未來只需將傳感器部署在自然流動的水體(如河流)中,依靠水流本身的能量,就能實現(xiàn)對水質(zhì)的持續(xù)、實時監(jiān)測。
這款流動供能的有毒胺類傳感器,不僅突破了傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備對電源的依賴,更以低成本、便攜性和高靈敏度,填補了偏遠地區(qū)、應(yīng)急場景下水質(zhì)快速檢測的技術(shù)空白。它的出現(xiàn),不僅是水污染監(jiān)測領(lǐng)域的一次重要創(chuàng)新,也為 “利用自然能量實現(xiàn)實用化檢測” 提供了可借鑒的技術(shù)范式 —— 未來,或許會有更多 “無需插電” 的環(huán)保監(jiān)測設(shè)備,守護我們身邊的水資源安全。
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