基于共价有机框架纳流膜的高灵敏度温度传感器

实现温度的高精度检测是一项重要的任务，尤其在安全性方面。向自然界学习是我们获取研究灵感的一条重要途径，人能够对环境温度的变化做出快速反应便离不开生物膜上的离子通道，通过这种通道，生物可以对细胞液中的钠钾离子进行特异性传输，实时地将冷热信号转换成电信号传输到神经中枢，产生冷热感觉。纳流控科学的发展为实现仿生离子通道的构建提供理论指导，纳流控科学与技术是研究和应用纳米通道或纳米结构（特征尺寸通常数纳米到数百纳米）中流体特性的一个新兴领域。纳米孔道在生物体中表现出的优良特性促使研究人员探究构建仿生人工纳米孔道的可能性。而纳米孔道的高离子选择性则依赖于孔道大小和带电量，共价有机框架因其骨架电荷可修饰和孔道大小可调节正好可以满足这两个需求，为设计高性能纳流膜提供了一个平台。

 图1

受自然热敏瞬态受体电位阳离子通道的启发，浙江大学孙琦课题组与北德克萨斯大学马胜前课题组合作设计了基于热驱动离子电荷分离的温度传感器。为模仿自然界中生物的功能，合成了一种基于离子共价有机骨架的纳米流体膜。当膜将两种电解质溶液分开时，跨膜的温差可以同步感应出电势差。高电荷密度和极小的纳米通道尺寸使该膜具有很高的渗透选择性，可提供高达1.25 mV K^-1的热敏选择性(图1)，优于任何已知的自然系统。此外，产生的电势差与温度梯度线性相关，可以进行温度的精确检测。

图2

作者在聚丙烯腈基底上用三醛基间苯三酚和2,5-二氨基苯甲酸通过界面聚合合成了COFs纳流膜（图2）。对COFs纳流膜的热电性能进行测试，图3a是在1 mM氯化钾溶液和25-35 °C温度范围下的热电响应测试结果，可以看出温差与电势差同步变化且相关系数大于0.99，拟合曲线斜率表明基于这种新的传输机理的热电响应灵敏度为1.17 mV K^-1，远高于自然界的鲨鱼和其他种类材料（图3b）。15-25 °C和35-45 °C下的测试结果表明合成的纳流膜在很宽的温度区间内都具有很高的灵敏度及线性关系。8个循环内温差与电势差一直保持良好的线性关系，说明材料性能稳定（图3c）。

图3

图4

最后，基于纳流膜优异的性能，作者设计了具有高热敏灵敏度的警报装置，展现出环境温度监测的巨大前景（图4）。此项研究得到了国家自然科学基金的资助。该工作以 Research Article 的形式发表在 CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。