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“液態門”不是科幻場景,將在化學檢測中出現
發布:kittyll   時間:2019/3/28 14:22:39   閱讀:1340 
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外星科技利用流動液態的“星際之門”,扭曲了時間和空間的蟲洞,實現物質在宇宙中瞬間傳送……這是在科幻電影《星際之門》中的場景。日前發表在國際學術期刊《德國應用化學》上的一項研究,可能讓“液態門”一步步走向現實應用。

這項最新研究成果來自于廈門大學化學化工學院和物理科學與技術學院雙聘教授侯旭團隊,該研究首次提出了響應性“液態門”的調控機制,通過采用限域空間物理化學界面設計,建立了一種物質檢測的新方法,就像鑄造的一把開門鑰匙,能準確迅速打開特定的“液態門”。

首次構建響應性“液態門”調控機制

在人們腦海中,“門”的概念一直是以固態的形式存在。而現實中,液體具有很強的流動性,其分子之間的相互作用比固體中的分子弱。液體分子只在很小的區域內作有規則的排列,這個區域是暫時形成的,邊界和大小會隨時改變,因受到重力、離心力等的作用,液體便會很快流動,無法形成一個穩定的門。

受到液態“星際之門”的啟發,侯旭教授對“門”的形態,有了更為廣義的理解,并首次提出了“液態門”的門控概念。

“液態門”,即液體在多孔薄膜中毛細力作用下,穩定填充在薄膜孔道內部,形成的一種閉合狀態。如果“施加”一定壓力,“液態門”會迅速開啟,形成孔道內壁有液體層的通路,就像吸了水的海綿,需要通過擠壓才能將水排出。

據了解,表面活性劑被譽為“工業味精”,由于其親水親油的特性,也稱雙親分子。其能使液體的界面性質發生明顯變化,廣泛應用于制作肥皂、洗發液、護膚品等。該團隊研究發現,當引入表面活性劑為門控液體,它將不同于其他液體,為“液態門”帶來極其靈敏開關作用。

研究人員進一步通過設計作為門控液體的表面活性劑,采用量子化學計算方法來得到表面活性劑雙親分子與待檢測物質的最優結構和雙親分子的偶極矩,從而跳出了傳統的化學檢測方法,實現了簡單、直觀、無需耗費電能的微量化學檢測,就像鑄造一把開門的鑰匙,能夠準確迅速地打開特定的“液態門”。

無電可視化檢測微量物質

近年來,微量物質檢測技術一般采用光學、電學等信號的檢測方法,通過專門的儀器設備對檢測信號進行輸出讀取。由于該機理復雜,往往不是直觀獲得的檢測結果,對光源、電源等的需求條件限制了其設備的大小;另外,一般需要專業人士進行操作,這些綜合因素都會增加檢測成本。

而新的“液態門”體系,能夠將功能門控液體中雙親分子與待檢測物質特異性相互作用導致的界面張力信息,轉化為氣體跨膜臨界壓力閾值變化信息。在檢測時,該體系可動態調控通過薄膜的氣體,擁有壓力驅動標記物移動特性。這種直觀的微量物質檢測新技術,能夠實現待檢測物成分、濃度變化信息的無電可視化檢測。

研究人員以二價金屬鈣離子為例,探討了檢測的靈敏度,設計了無電可視化化學檢測裝置。在該裝置中,一端是有特定壓強的腔室系統,另一端是有標記液滴的管路,并與響應性的“液態門”薄膜組合,當向“液態門”系統中注射待檢測鈣離子,能夠非常直觀地看到標記液滴在管路里的移動。

標記液滴為什么能夠移動?是什么原理?原來,在該檢測體系中,雙親分子在檢測物的偶極誘導作用下會發生界面性質改變,宏觀上表現為表面張力的降低,進一步引起液體門控系統臨界壓強閾值降低,釋放高壓氣體,推動標記液滴在管路里移動。
 

(a)偶極誘導響應性門控液體系統的工作原理(b)響應性門控液體系統在無電可視化化學檢測中的應用示意圖(c)響應性液體門控系統對檢測物響應性的結果示意

侯旭介紹,在實際的化學檢測過程中,檢測信號將通過儀器中標記液滴的移動速度、狀態等來直觀呈現,從而得到檢測物的成分、濃度等信息,且全程無需耗費電能。“該體系的靈敏度與所用膜材料的性質與孔徑及雙親分子的結構與濃度有關,一般情況下,孔徑越小,靈敏度越高,同時也可以通過雙親分子的化學設計提高檢測靈敏度。”他說。

侯旭告訴記者,響應性“液態門”技術的提出,突破了傳統微量物質化學檢測機制與應用的限制,其操作簡單且可微型化使用,不僅可以應用在重金屬污染物等快速便攜式微量檢測應用中,同時也在食品安全、環境監測、醫療診斷等領域具有廣闊的應用前景。

來源: 科技日報
 
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