基于双聚合物机械变色悬臂的竞争双向响应机制及其在挥发性有机化合物（VOC）比色成像识别中的应用

本综述报道了一种新型双聚合物（PDMS/OSTE+）机械变色悬臂传感器，通过材料特异性溶胀效应产生竞争性双向弯曲响应，结合结构色成像技术，实现了单传感器多维VOC检测。该技术突破传统电子鼻对多传感器阵列的依赖，为环境监测（如工业安全、疾病呼气诊断）提供高灵敏度、低功耗的解决方案。

　　

引言

挥发性有机化合物（VOCs）在环境监测、工业安全和医学诊断中具有重要检测意义。传统传感器多采用“锁钥”策略，依赖特定受体实现高选择性检测，但面临受体有限、非特异性吸附以及多传感器阵列复杂度高的问题。与之不同，哺乳动物嗅觉系统通过多种受体非特异性组合响应实现气味识别，受此启发，研究者开发了模拟组合编码策略的电子鼻系统。然而，现有电子鼻仍存在灵敏度低、器件复杂和功耗高等挑战。本研究开发的双聚合物机械变色悬臂传感器，通过单一传感器本征产生多维响应，显著降低了对复杂多传感器阵列的依赖。

工作原理

悬臂传感器在静态模式下，表面应力变化引发挠曲变形，其弯曲量（Δz）与表面应力变化（Δσ）的关系可由Stoney公式描述：Δz ≈ [3L²(1-υ)]/(Eh²)·Δσ，其中L和h分别为悬臂长度和厚度，E为杨氏模量，υ为泊松系数。本研究创新性地采用双材料悬臂结构，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和非化学计量硫醇-烯-环氧聚合物（OSTE+）组成，并通过表面纳米周期结构产生结构色，实现机械状态的光学报告。双聚合物悬臂的弯曲行为可通过Timoshenko模型定量描述，弯曲曲率半径（ρ）与材料厚度比（m）、杨氏模量比（n）及应变失配（ε_misfit）相关。

结果与讨论

通过软光刻技术制备的PDMS-OSTE+双聚合物悬臂（尺寸：L=1500μm，h=75μm，w=500μm）具有纳米周期结构表面，呈现结构色。悬臂在暴露于不同VOCs时表现出竞争性双向弯曲响应：低分散度、中高极性和氢键参数的VOCs（如甲醇、乙腈）引发OSTE+驱动的向上弯曲（色相值Hue↓）；中高分散度、低中极性和氢键参数的VOCs（如环己烷、丙酮）引发PDMS驱动的向下弯曲（Hue↑）；中间HSP值的VOCs则产生混合响应。这种响应模式与汉森溶解度参数（HSPs）密切相关，其中分散参数（δ_d）、极性参数（δ_p）和氢键参数（δ_h）共同决定了VOCs与聚合物的相互作用。实验测得的聚合物溶胀比（Q）进一步证实了响应机制：非极性VOCs在PDMS中溶胀更强（Q_PDMS > Q_OSTE+），而极性VOCs在OSTE+中溶胀更显著（Q_PDMS < Q_OSTE+）。传感器对VOCs的响应具有浓度和时间依赖性，灵敏度在0.00021–0.02393 Hue·ppm^?1之间，检测限低至0.4 ppm。此外，传感器在气流腔中的位置会影响响应强度，尤其对高δ_dVOCs（如环己烷）呈现明显浓度梯度效应，而对高δ_p-δ_hVOCs（如甲醇）响应均匀。通过二元混合物（乙酸乙酯/甲醇）暴露实验，揭示了位置依赖的竞争响应动力学，下游悬臂更易受甲醇主导。实际样品（指甲油、清洁产品）测试表明，传感器能有效区分复杂混合物中的主导VOCs成分，验证了其在真实环境中的应用潜力。

结论

双聚合物机械变色悬臂传感器通过PDMS与OSTE+的差异溶胀效应，本征产生竞争性双向响应，实现了基于HSP的VOC识别。该技术将力学响应与光学报告结合，仅需单一传感器即可完成多维检测，避免了复杂阵列的构建，在环境监测、工业安全和医疗诊断等领域具有广阔应用前景。未来通过聚合物层厚度调控、多传感器组合及人工智能算法优化，可进一步提升复杂VOC混合物的区分能力。

实验部分

悬臂通过软光刻技术制备：以PDMS复制商业光栅模具（周期1600 nm），经全氟辛基三氯硅烷（PFTS）硅烷化后旋涂PDMS（约50μm）和OSTE+（约25μm），通过紫外和热固化完成分层结构，最后激光切割成悬臂阵列。气流腔由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）激光切割组装，内置光学透明结构用于实时成像。检测系统采用Littrow配置，通过白色LED光源和USB显微镜采集结构色变化，使用Colorevo软件分析色相（Hue）动力学。VOCs通过注射泵以可控浓度（0.1–250 ppm）引入气流腔，浓度由商用传感器校准。聚合物溶胀实验通过暴露于饱和VOC气氛24小时后测量体积和重量变化完成。