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(yīng)環(huán)境的變化。這些適應(yīng)性顏色是通過響應(yīng)環(huán)境刺激（例如溫度、濕度等等）而改變細(xì)胞或蛋白質(zhì)軟層的體積或厚度來實(shí)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(yīng)來直觀地進(jìn)行如濕度、光線、溫度、特定分子濃度等方面的傳感，從而實(shí)現(xiàn)例如天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量檢測等視覺化響應(yīng)。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(yīng)用中前所未有的可能性。然而，當(dāng)前的研究存在響應(yīng)慢且色度選擇單一的問題，很難滿足實(shí)際應(yīng)用中快速響應(yīng)和選擇性色響應(yīng)的需求。
韓國光州科技學(xué)院Young Min Song，釜山大學(xué)Jin-Woo Oh等人提出了一種基于動態(tài)響應(yīng)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(jìn)劑（HLRP）。超薄的M-13噬菌體層可快速響應(yīng)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(yīng)層的情況下，從相應(yīng)的調(diào)色板中調(diào)整顏色。在實(shí)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(jī)化學(xué)物質(zhì)中進(jìn)行測試，來實(shí)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(yīng)層的M-13病毒層會因外部變化而發(fā)生膨脹/消溶，從而導(dǎo)致HLRP發(fā)生比色行為。該噬菌體是一種細(xì)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(qiáng)共振吸收實(shí)現(xiàn)的（圖1e）。為了確認(rèn)HLRP與噬菌體層的共振增強(qiáng)作用，作者計(jì)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(yīng)是比較敏感的。為了提升該方案的實(shí)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(yīng)】
為了優(yōu)化HLRP的設(shè)計(jì)，圖2a展示了計(jì)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(dǎo)致比色行為（圖2c）。為了確認(rèn)色度響應(yīng)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(jì)，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)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(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對外部刺激進(jìn)行敏感/不敏感的顏色設(shè)計(jì)。
【揮發(fā)性有機(jī)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(jìn)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(yīng)，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(yīng)，在變化濃度的一系列揮發(fā)性有機(jī)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(yīng)。利用基因工程噬菌體的這些內(nèi)置響應(yīng)，對應(yīng)于有機(jī)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(yīng)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(xué)物質(zhì)相對應(yīng)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(yīng)變色材料，從而設(shè)計(jì)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(shí)具有強(qiáng)烈的共振變化，可實(shí)現(xiàn)快速動態(tài)響應(yīng)。此外，該方法可進(jìn)行危險(xiǎn)化學(xué)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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