世界卫生组织把挥发性有机化合物（VOCs）和工业无机污染物（TICs）规定为一类重要的可引起大气和水体环境污染的物质。其中一类重要的光化学污染性气体（O3, NOx等），对人体会产生慢性危害，严重的甚至会造成致癌、致畸、致突变的“三致”效应。因此，室内外环境中超低浓度的光化学污染物的定性与定量，对环境监控和疾病预防具有重要意义。由于大多数光化学污染物为小分子化合物，化学结构较为单一，容易逸散，难以捕捉与富集，近年来鲜有高效准确的原位定点检测技术报道。目前检测光化学污染物的主流技术是基于高精度的标准气相色谱法、质谱法、离子迁移谱法、光谱法，以及基于半导体异质结或导电高分子的“电子鼻”方法，均无法高效快捷地解决这一分析与环境化学领域的难题。

基于以上背景，深圳大学高等研究院李正研究员团队通过湿法合成一系列不同配体功能化的金纳米材料，开发了一类基于表面等离子共振信号（LSPR）的气敏光学传感器。利用金纳米敏感的LSPR性质在气-固表面与光化学污染物反应时的改变，实现对大多数光化学污染气的超灵敏检测与鉴别。修饰的金纳米材料在空气中性质稳定，具有较高的憎水性，有效地阻止传感器使用中来自外界水气的干扰。通过此法得到12种不同光电性质的传感材料，在疏水化玻片上通过接触式打印制备阵列式传感器，构建用于气相检测的芯片实验室，并通过电子显微镜与光谱学表征，初步探究了气固表面反应机制（图1）。

图1 阵列式气体传感光学芯片的构建、表面反应机理探究、TEM图像以及漫反射光谱。

实验验证12种金纳米墨水都具备稳定的化学性质，贮存6个月内未观察到明显的聚沉现象；印制的阵列随后组装成一次性检测微器件，随后搭建基于便携式微型设备的简易光学信号采集装置，对阵列传感器反应前后的红、绿、蓝色光学信号进行方便快捷的扫描、分析和建库，可在500 ppb浓度级别特征性区分15种不同的光化学气体及其混合物，检测限低至1 ppb以下。反应强度主要取决于检测气的氧化性，越强氧化性的污染气，响应平均强度越高。而对于弱氧化性或还原性气体（如乙烯、异戊二烯等），响应图案较弱，几乎可忽略不计。依据这些气体化合物的氧化性质，呈现出差异性的响应图案，以此可以建立分子指纹式的物质分析机制，对不同光化学气体进行鉴定和归类。

在图2所得传感器初始响应图案的基础上，本工作还针对传感器对不同光化学污染物的定量性能进行了探究。测试了化学阵列式传感器对四种典型光化学气体的信号响应，得到的响应强度变化率随浓度变化的曲线呈现较明显的线性关系（R2=0.997）。计算得到一次函数曲线斜率分别为：二氧化氮，1.09；臭氧，0.89；二氧化硫，0.82；过氧硝酸乙酰酯，0.72。该定性和定量结果可用于实地大气环境检测中，用来确定未知光化学污染物的种类及含量。

最终将该技术运用到实体场景，初步实现对室内空气氛围（有无烟气、复印机等污染源）的实时、便捷、超灵敏、大范围的可视化检测，所测结果与商业化的红外光谱气体分析仪在所测气体种类与含量上均具有较高的匹配度。

图2 阵列式传感芯片对15种不同光化学污染气的定性响应图谱、化学计量学归类结果以及定量曲线。

该工作为痕量光化学污染气体检测工具的实用化和产品化提供了理论基础和实践依据。这一成果发表于ACS分析化学权威期刊Analytical Chemistry（中科院分区大类化学1区，小类分析化学1区）。李正研究员是文章的第一兼通讯作者，课题组科研助理张若晗、博士后研究员卢晓慧、高等研究院本科生胡洛瑜和王新宇等参与该研究，中国汽车技术研究中心（天津）有限公司协助完成部分测试工作。深圳大学为唯一通讯单位。

李正研究员近期在光电子鼻应用领域发表多篇高影响力成果（Acc. Chem. Res. 2021, 54, 950; Matter 2021, 4, 2553; ACS Sens. 2020, 5, 2783），相关工作得到国家科学自然基金、广东省自然科学基金以及深圳市科创委等项目的支持。

论文标题：Multiplexed Analysis of Photochemical Oxidants Using a Nanoparticle-Based Optoelectronic Nose

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.1c03457