自然界中的某些生物，例如變色龍、火雞等等，會改變其顏色以適應環(huán)境的變化。這些適應性顏色是通過響應環(huán)境刺激（例如溫度、濕度等等）而改變細胞或蛋白質(zhì)軟層的體積或厚度來實現(xiàn)的。如今，在具有多種污染物的現(xiàn)代社會中，同樣需要視覺自適應來直觀地進行如濕度、光線、溫度、特定分子濃度等方面的傳感，從而實現(xiàn)例如天氣預報、空氣質(zhì)量檢測等視覺化響應。因此，對環(huán)境敏感的變色材料可以成為超越人類感知的監(jiān)控器。隨著研究的深入，基于光子晶體的結(jié)構(gòu)著色方案展現(xiàn)了比色傳感器應用中前所未有的可能性。然而，當前的研究存在響應慢且色度選擇單一的問題，很難滿足實際應用中快速響應和選擇性色響應的需求。
韓國光州科技學院Young Min Song，釜山大學Jin-Woo Oh等人提出了一種基于動態(tài)響應病毒（M-13噬菌體）的比色傳感器，并帶有高度損耗的共振促進劑（HLRP）。超薄的M-13噬菌體層可快速響應外部刺激，展現(xiàn)出可靠的變色行為，并且可在不修改動態(tài)響應層的情況下，從相應的調(diào)色板中調(diào)整顏色。在實際演示過程中，對外部刺激不敏感/敏感的比色傳感器可通過隱藏/顯示圖案來直觀地感知環(huán)境變化。此外，該比色傳感器通過暴露于各種揮發(fā)性有機化學物質(zhì)中進行測試，來實現(xiàn)惡劣環(huán)境下的可監(jiān)測性。該研究以題為“Large-Area Virus Coated Ultrathin Colorimetric Sensors with a Highly Lossy Resonant Promoter for Enhanced Chromaticity”的論文發(fā)表在《Advanced?Science》上。
【比色傳感器的制備與表征】
圖1a展示了涂有病毒的比色傳感器。被用作動態(tài)響應層的M-13病毒層會因外部變化而發(fā)生膨脹/消溶，從而導致HLRP發(fā)生比色行為。該噬菌體是一種細菌病毒，由包裹著各種主要和次要外殼蛋白的單鏈DNA組成（圖1b）。因此，帶有親水性噬菌體層的比色傳感器能對濕度的改變表現(xiàn)出明顯的顏色變化（圖1d）。與其他基板相比，HLRP噬菌體層這種明顯的顏色變化是通過在特定波長處的強共振吸收實現(xiàn)的（圖1e）。為了確認HLRP與噬菌體層的共振增強作用，作者計算了HLRP和其他底物的動態(tài)變化反射光譜（圖1g），結(jié)果表明在500-600 nm的波長范圍內(nèi)，該傳感器對顏色的光譜響應是比較敏感的。為了提升該方案的實用性，作者利用旋涂法制備了均勻的大面積超薄噬菌體層。該方法使用電子束蒸發(fā)器，通過角膜沉積在晶圓級HLRP上，得到了均勻覆蓋的大面積超薄噬菌體層（圖1h）。
【傳感器的選擇性顏色響應】
為了優(yōu)化HLRP的設(shè)計，圖2a展示了計算出的反射率與特定折射率波長（λc = 500nm）的等高線圖，以及每個分離的HLRP層的組成示意圖。這些具有HLRP寬波長的反射區(qū)會在可見光范圍內(nèi)移動，從而導致比色行為（圖2c）。為了確認色度響應與動態(tài)變化的聯(lián)系，圖2d給出了RGB顏色集，其中每個涂層的厚度為60 nm，即旋涂病毒層的初始厚度為100 nm。作者通過調(diào)整HLRP的設(shè)計，從而實現(xiàn)動態(tài)響應層的明顯顏色變化，并且色度值會隨著RGB色域內(nèi)的動態(tài)變化而廣泛或局部變化。圖2g展示了在各種材料組合下具有多樣顏色選擇性的顏色集，該顏色集提供了比色傳感器的選擇性顏色響應，從而實現(xiàn)對外部刺激進行敏感/不敏感的顏色設(shè)計。
【揮發(fā)性有機化合物檢測】
圖4a展示了通過三種基因工程類型（3A，4E和3W）噬菌體進行的野生型（WT）噬菌體檢測，并顯示了比色傳感器的一系列傳感過程。由于HLRP對顏色的敏感反應，每個涂有四種不同噬菌體的像素都能顯示出明顯的顏色變化。為了分析這些顏色響應，在變化濃度的一系列揮發(fā)性有機化合物下檢測傳感器的RGB值。每個基因工程的噬菌體通過每個受體的相互作用特性對不同的物質(zhì)具有選擇性的反應。利用基因工程噬菌體的這些內(nèi)置響應，對應于有機化合物濃度和種類的RGB值的每種組合形成一個數(shù)據(jù)集。對于傳感器對各種物質(zhì)的選擇性，圖4b描繪了通過對每種基因工程噬菌體對不同物質(zhì)的選擇性顯色響應相結(jié)合的圖案。這些圖案顯示了每種物質(zhì)的特定形狀，且在ppb濃度下也具有與每種化學物質(zhì)相對應的不同顏色模式（圖4c）。
總結(jié)：作者提出了一種具有結(jié)構(gòu)簡單和高度顏色選擇性的快速動態(tài)響應變色材料，從而設(shè)計出可直觀檢測環(huán)境變化的比色傳感器。旋涂在HLRP上的超薄M-13噬菌體層展現(xiàn)出敏感的比色行為，同時具有強烈的共振變化，可實現(xiàn)快速動態(tài)響應。此外，該方法可進行危險化學物質(zhì)檢測并且適合大面積制造，為今后用于日常和工業(yè)環(huán)境打下了基礎(chǔ)。
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