水分子作用下氮化碳可逆扭曲与“肺动图”

在光、热、电、pH、溶剂等外部刺激下，一些具有较高比表面积、丰富的界面活性位点或独特皱折形貌的纳米材料的微观形态会发生明显的变化。探究纳米结构和水分子之间的相互作用方式，以及由此产生的形变行为，对于智能响应材料的发展具有重要意义。近日，东南大学张袁健教授（点击查看介绍）团队与江苏大学刘磊教授团队合作报道了氮化碳纳米带（CNNRs）在水分子触发下的各向异性形变现象，并将其应用于超快响应的水分子传感以及非接触式实时呼吸检测。

聚合物氮化碳是一种新型二维层状半导体材料，通常也被称为g-C₃N₄，具有优异的电子特性和光学性质，已被广泛应用于人工光合成领域。然而，对其重复的七嗪环单元所组成的骨架结构和丰富且易修饰的边缘基团/缺陷的探索与利用的研究工作相对较少。在前期的工作中，该团队发现在碱性条件下水解氮化碳材料，可以断开七嗪环结构单元之间的连接氮从而降低其尺寸，在边缘修饰上氨基/羟基亲水基团，并且发展了水相中的响应型溶胶-凝胶可逆转变体系。在此基础上，非液相环境中氮化碳与小分子的相互作用及其响应行为也非常值得研究。

图1. 豆荚（a）与氮化碳纳米带（b）各向异性形变示意图。图片来源：CCS Chem.

水分子在环境中无处不在，湿度的变化对材料的性质具有重要影响。碱性条件下水解体相氮化碳制备得到的CNNRs具有相对疏水的骨架和亲水的边缘结构，该研究发现当环境湿度较高时，其边缘亲水基团可以通过氢键结合水分子，保持原始的平面结构；当环境湿度较低时，水分子脱去，纳米带在内部应力的作用下发生扭曲，该过程快速且可逆。这种各向异性的形变行为与自然界中的豆荚脱水后发生的扭曲类似（图1），而CNNRs也具有类似豆荚纤维排列的梯度结构。通过整体样品的FT-IR和XRD表征，以及单根纤维的AFM粘附力测试（图2），证明了水分子与CNNRs之间的相互作用。

图2. 不同环境湿度下CNNRs的粘附力测试。图片来源：CCS Chem.

基于CNNRs的水分子敏感形变行为，作者制备了一种湿度传感装置，该传感器具有响应速度快（50 ms）、可逆性高、选择性好、灵敏度高和在全湿度范围内具有良好线性等特点。由于其超快响应的优点，该湿度传感器不仅可以检测呼吸频率和深度，还可以检测更细节的呼吸波形，这种呼吸检测方法可以在非接触和开放的环境模式下进行实时呼吸监测（图3），与通常需要密闭系统的商业肺功能仪相比，具有更高的灵敏度和便捷性。鉴于全球约2.35亿人罹患呼吸疾病（世界卫生组织数据），利用该传感器获得的“肺动图”优于传统呼吸曲线将揭示更多呼吸生理过程的微小细节，为呼吸疾病诊断提供新途径。

图3. 基于CNNRs的传感器呼吸检测示意图（a）与实际呼吸检测曲线：深呼吸与浅呼吸（b）、歌唱中的呼吸（c）、平静呼吸（d）。图d（下）为商业肺功能仪测试呼吸曲线数据。图片来源：CCS Chem.

该工作发表在CCS Chemistry 上，通讯作者为东南大学张袁健教授和江苏大学刘磊教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Water Molecules-Triggered Anisotropic Deformation of Carbon Nitride Nanoribbons Enabling Contactless Respiratory Inspection

Yuye Zhang, Yongxiu Song, Yanfei Shen, Kaiyang Chen, Qing Zhou, Yanqin Lv, Hong Yang, Ensheng Xu, Songqin Liu, Lei Liu, Yuanjian Zhang

CCS Chem., 2020, DOI: 10.31635/ccschem.020.202000361

张袁健教授简介

张袁健，1998年-2007年先后在南京大学基础学科教学强化部和中国科学院长春应用化学研究所学习获学士和博士学位，2008年-2012年先后在德国马普胶体界面研究所和日本国立物质材料研究所国际青年科学家中心（ICYS）从事科研任博士后和ICYS Researcher，2012年起受聘于东南大学化学化工学院，任教授、博士生导师。长期从事基于富碳材料的分子传感研究，已在J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.、Anal. Chem.等期刊发表SCI论文160余篇。研究成果受到国际国内同行的广泛关注，所发表论文被SCI期刊论文他引9000余次，H-index 49。

研究方向：基于富碳材料的分子传感研究

• 富碳材料化学制备与表界面调控

• 信号转导（电化学发光、光电化学、电化学催化）增强

• 电化学与发光生物传感新策略

张袁健

https://www.x-mol.com/university/faculty/19298

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