《Microchemical Journal》：Multi-wavelength cataluminescence fingerprint sensing of aldehydes and ketones on star-shaped zirconia
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具有可控形态的星形ZrO2能够增强CTL信号。
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基于波长的指纹特征能够快速区分和检测醛
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具有可控形态的星形ZrO2能够增强CTL信号。
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基于波长的指纹特征能够快速区分和检测醛类化合物（AKs）。
引言
醛类和酮类（AKs）是一类含有羰基（C=
O」）的有机化合物，广泛用于工业生产和食品调味[1]。[然而，它们也带来健康风险，因为它们不仅是大气中有机自由基（ROx）的主要来源，也是次要污染物和臭氧的前体[3]。这些物质的强刺激性和毒性意味着长期暴露可能对肺部和神经系统造成严重伤害，同时还会导致肝肾损伤，并加剧光化学烟雾的形成和环境污染[4],[5]。此外，识别和检测结构相似的AKs非常重要。例如，在健康领域，醛类和酮类常被用作多种疾病的生物标志物，但它们所指示的疾病可能有所不同[6]。在食品调味方面，乙醛是刺激性气味的主要来源，而丙酮则能带来清新的口感[7],[8]。目前用于检测和区分AKs的方法包括比色法[9]、色谱/质谱法（GC/MS）[10]、光谱法[11]和电化学方法[12]。然而，这些方法仍存在一些缺点，如耗时、需要昂贵设备且操作复杂。因此，开发一种稳健的实时监测系统对于AKs至关重要。
化学发光（CTL）是一种光致发光现象，发生在气体-固体界面异相催化氧化过程中产生的活性中间体返回基态时[13],[14],[15]。它被广泛用于检测各种气体化合物，包括但不限于挥发性有机化合物（VOCs）[16],[17]、无机小分子气体[18],[19]以及新兴污染物[20],[21]。与其他分析方法相比，该技术具有高灵敏度、快速响应、可重复使用性和用户友好性等优点，因此被广泛应用[22],[23],[24]。近年来，在开发用于复杂样品识别的交叉反应性CTL传感器阵列方面取得了显著进展。通过使用传感材料的类型作为特征参数来构建CTL阵列，已经成功实现了对多种VOCs的检测和识别[25],[26],[27]。通常，CTL传感器阵列需要多个传感单元，这可能导致传感器系统的不稳定性增加。因此，基于单一传感材料来区分复杂混合物的方法至关重要。在我们之前的工作中，温度或传感材料的类型常被用作多分析物识别的区分维度。然而，要在使用单一传感元素的同时扩展指纹光谱的维度并实现有效区分仍然是一个重大挑战。作为光谱成像的关键组成部分，波长被认为是提取底物分析中区分信息的重要维度。通过利用波长调制，可以解析催化剂和目标分子在反应过程中产生的多维光谱信息。有效利用这些光学差异作为光谱特征，使得单个传感单元能够区分和检测多种VOCs[13],[28],[29]。由于ZrO2具有优异的热化学稳定性、可调的氧空位化学性质和可调的电子结构，它被广泛用于化学发光[30],[31]。研究表明，通过改变催化剂的形状和化学组成可以有效地提高其催化活性[32],[33],[34]。因此，通过形态工程控制ZrO2的合成不仅能够系统地研究其结构与化学发光性能之间的关系，而且有望显著提升其CTL传感性能，从而为构建高灵敏度和稳定的气体传感器提供材料基础。本研究采用形态可控的ZrO2来提高CTL性能，并结合多波长调制策略。与以往主要依赖温度或材料阵列的方法不同，本研究构建了光学-动力学二维指纹光谱，利用单一传感材料有效区分多种分析物，这对于高效检测和准确识别AKs非常重要。
本研究采用了多波长阵列技术，使用形态工程化的氧化锆（ZrO2作为传感单元，成功构建了一个用于高效检测和识别醛类化合物（丙醛、丙酮、n-丁醛、异丁醛和丁酮）的催化传感平台。实验结果表明，星形氧化锆（SZ）表现出最佳的催化性能，随后被用作构建多波长传感阵列的传感元件。通过系统分析和整合不同波长下AKs的CTL信号和响应时间，构建了一个二维光学-动力学指纹光谱。此外，还评估了该系统对这些五种化合物的定量检测能力。这些发现为基于单一传感平台精确分析VOCs提供了一种新的可行方法。
章节片段
化学品
醋酸钠（CH3COONa，99.0%）、甲醇（CH3OH，99.5%）、乙醇（CH3CH2OH，99.7%）和尿素（CO(NH2)2（99.0%）均购自Greagent Reagent Co., Ltd。其他化学品的详细信息列在补充材料中。
仪器与分析
ZrO2的晶体结构通过X射线衍射（Cu?Kα1辐射，λ?=?0.15406?nm，40?kV和30?mA，XRD-6100，Shimadzu，日本）确定，扫描速度为5°/min，范围从10°到80°。
材料表征
XRD分析（图1a）表明SZ和GZ呈现出纯单斜晶系的ZrO2相（PDF#37-1484），而CZ和FZ在2θ?=?30°处显示出额外的峰，对应于（1?0?1）晶面（PDF#50-1089）[35],[38]。这一观察结果得到了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM，图S1g,h）的支持，HRTEM显示CZ和FZ的晶格间距为0.295?nm，对应于四方晶系的（1?0?1）晶面。然而，SZ和GZ在XRD或HRTEM中均未显示出四方相的证据，证实了它们的纯相性
结论
本研究成功开发了一种基于形态工程化的星形氧化锆（SZ）作为单一传感元件的化学发光（CTL）传感平台，用于高效痕量检测和识别五种醛类和酮类（AKs）。为满足环境和健康应用中对挥发性有机化合物（VOCs）快速监测的迫切需求，将多波长阵列技术与形态工程相结合。该系统记录了CTL信号
CRediT作者贡献声明
李佳欣：撰写——原始草案，实验研究，数据管理。傅一辉：数据管理。肖如楠：形式分析。韦楚东：概念设计。张立春：撰写——审稿与编辑，资金获取。吕毅：撰写——审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：22274103）的支持。
李佳欣|傅一辉|肖如楠|韦楚东|张立春|吕毅
