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- 流動(dòng)供能，無(wú)需插電：這款新型傳感器可實(shí)時(shí)捕捉水中有毒胺類污染
- 來(lái)源：東京科學(xué)研究所 發(fā)表于 2025/9/11
在偏遠(yuǎn)山區(qū)的溪流旁，或是突發(fā)污染事故的河流邊，傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備往往因笨重、依賴外部電源而 “束手無(wú)策”。隨著全球水污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，對(duì)便捷、低成本、實(shí)時(shí)的污染物檢測(cè)技術(shù)需求愈發(fā)迫切。近日，日本東京理科大學(xué)（Science Tokyo）的研究團(tuán)隊(duì)交出了一份創(chuàng)新答卷 —— 他們研發(fā)出一款完全依靠液體流動(dòng)供能的水污染傳感器，無(wú)需外接電源，就能通過(guò)發(fā)光信號(hào)精準(zhǔn)檢測(cè)水中的有毒胺類物質(zhì)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、應(yīng)急場(chǎng)景下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)開辟了新路徑。該研究成果已于 2025 年 9 月 8 日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然・通訊》（Nature Communications）上。
傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尤其是針對(duì)有機(jī)污染物（如胺類）的檢測(cè)，常依賴大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，不僅成本高昂、操作復(fù)雜，還需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)，這使其在缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)或緊急污染事件中難以快速部署。而東京理科大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程系稻木伸介（Shinsuke Inagi）教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，正是瞄準(zhǔn)了這一痛點(diǎn)，將目光投向了 “電化學(xué)發(fā)光（ECL）” 技術(shù) —— 一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光信號(hào)的檢測(cè)方法，并突破性地為其賦予了 “自供電” 能力。
電化學(xué)發(fā)光技術(shù)本身并非全新概念，其核心原理是利用兩種關(guān)鍵分子的 redox 反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)）：作為發(fā)光源的 “發(fā)色團(tuán)”，以及作為犧牲劑的 “共反應(yīng)物”。當(dāng)這兩種分子發(fā)生反應(yīng)時(shí)，發(fā)色團(tuán)會(huì)被激發(fā)至高能態(tài)，待其回落至基態(tài)時(shí)便會(huì)釋放出光，光的亮度或有無(wú)即可判斷目標(biāo)污染物是否存在。但傳統(tǒng)的電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)必須依賴外部電源驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，而稻木團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處在于，他們用 “流動(dòng)電勢(shì)” 替代了外部電源 —— 即利用檢測(cè)液體本身的流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電能，讓傳感器實(shí)現(xiàn) “自給自足”。
為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)打造了一款微流體裝置，其結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單卻暗藏巧思：裝置包含兩個(gè)分別裝有鉑絲電極的腔室，中間通過(guò)一條填充了多孔材料（如酚醛樹脂整體材料）的通道連接，電極則與電流表相連，構(gòu)成一個(gè) “分裂雙極電極系統(tǒng)”。當(dāng)液體（哪怕是用手動(dòng)注射器推動(dòng)的液體）流經(jīng)中間通道時(shí)，會(huì)與多孔材料表面發(fā)生相互作用，產(chǎn)生最高可達(dá) 2-3 伏的流動(dòng)電勢(shì) —— 這個(gè)電壓足以觸發(fā)電極處的氧化還原反應(yīng)，為電化學(xué)發(fā)光過(guò)程供能。
在分子選擇上，團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了精準(zhǔn)搭配：他們將苯并噻二唑 - 三苯胺（BTD-TPA）作為發(fā)色團(tuán)沉積在陽(yáng)極表面，同時(shí)選用三正丙胺（TPrA）作為共反應(yīng)物。之所以選擇檢測(cè) “胺類物質(zhì)”，是因?yàn)檫@類化合物廣泛應(yīng)用于化工、制藥等工業(yè)領(lǐng)域，卻具有顯著毒性，部分胺類甚至被證實(shí)具有致癌性和致基因突變性，一旦流入水體，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這款傳感器的性能遠(yuǎn)超預(yù)期：當(dāng)含有三正丙胺的溶液流經(jīng)裝置時(shí)，流動(dòng)電勢(shì)會(huì)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)極處的胺類物質(zhì)與發(fā)色團(tuán)同時(shí)發(fā)生氧化，進(jìn)而引發(fā)一系列反應(yīng)并釋放出可見光 —— 這種光信號(hào)強(qiáng)度足以被普通數(shù)碼相機(jī)捕捉，即便電壓低至 2.3 伏，仍能檢測(cè)到清晰信號(hào)。除了三正丙胺，該傳感器還能識(shí)別其他常見胺類，如 2-（二丁基氨基）乙醇、三乙醇胺（盡管檢測(cè)效率略有下降）；更重要的是，它在蒸餾水和自來(lái)水中均能精準(zhǔn)捕捉到痕量胺類，對(duì)三正丙胺的檢測(cè)限更是低至 0.01 毫摩爾，足以滿足實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)的靈敏度需求。
“這項(xiàng)無(wú)需電源的電化學(xué)發(fā)光技術(shù)，為利用自然流動(dòng)能量監(jiān)測(cè)河流、管道污染物提供了新可能�！� 稻木伸介教授表示，該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)不止環(huán)境監(jiān)測(cè) —— 未來(lái)還可擴(kuò)展到食品水質(zhì)檢測(cè)、生物戰(zhàn)劑識(shí)別等領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)的愿景是，隨著技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化和耐用性提升，未來(lái)只需將傳感器部署在自然流動(dòng)的水體（如河流）中，依靠水流本身的能量，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的持續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
這款流動(dòng)供能的有毒胺類傳感器，不僅突破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)電源的依賴，更以低成本、便攜性和高靈敏度，填補(bǔ)了偏遠(yuǎn)地區(qū)、應(yīng)急場(chǎng)景下水質(zhì)快速檢測(cè)的技術(shù)空白。它的出現(xiàn)，不僅是水污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一次重要?jiǎng)?chuàng)新，也為 “利用自然能量實(shí)現(xiàn)實(shí)用化檢測(cè)” 提供了可借鑒的技術(shù)范式 —— 未來(lái)，或許會(huì)有更多 “無(wú)需插電” 的環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備，守護(hù)我們身邊的水資源安全。
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