厦门大学侯旭教授课题组最新物理化学动态界面设计的研究工作：偶极诱导界面分子重构的响应性液体门控用于无电可视化化学检测
限域空间中的界面行为，由于空间的尺寸效应而具有动态多相界面性质，不同于界面在宏观尺度下呈现的相对独立的界面行为。限域空间中动态界面的研究将为界面科学的发展与应用带来新的机遇。基于动态界面设计提出的液体门控概念是指通过限域孔道空间稳定的流体能够可逆地将小孔密封在闭合状态，并可在压力下迅速重新配置，以生成内壁上有流体的开启小孔。同时，分子水平的化学结构构型决定了物质的表界面性质。近些年来，随着微观表征技术的发展，研究人员越来越关注界面分子构型，如非均相催化、电极界面电子传输、超疏水及界面化学反应等微观分子界面作用机理，同时更加关注界面分子构型对界面性质的影响及作用方式。
近年来，厦门大学侯旭教授课题组提出了一系列具有响应性的液体门控机制（Adv. Mater. 2016, 28, 7049; Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17016; 《科学》 2017, 69, 18; ACS Appl. Mater. Inter. 2017, 9, 35483; Sci. Adv. 2018, 4, eaao6724; Small 2018, 14, 1703283; Nat. Commun. 2018, 9, 733）。最近，课题组基于表面活性剂的研究，通过对门控液体中双亲分子的界面物理化学设计，提出了响应性门控液体用于化学检测的全新机制，利用双亲分子在界面上通过偶极诱导进行的动态界面分子重排过程，开发了一种全新的液体门控化学检测方法并探究其在化学检测中的应用（图1）。不同于传统的检测系统，该门控液体响应的液体门控检测体系基于一种特殊的信息传递方式，它利用系统门控液体中待检测物质和功能分子的偶极诱导相互作用而导致功能分子在界面构型重排信息（宏观上表现为界面张力变化信息），其进一步转化为气体跨膜临界压力阈值变化信息。相关研究成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201814752）。
图1. 偶极诱导界面分子重构的响应性液体门控系统及其在无电可视化化学检测方面的应用
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
该工作中，作者在响应性液体门控系统中的门控液体界面上引入双亲分子，得到具有动态界面的响应性液体门控系统（图2）。随着双亲分子的加入，门控液体的界面上双亲分子重新排布，宏观上表现为门控液体表面张力的变化，表面张力随双亲分子浓度的变化而变化，进一步系统的气体跨膜临界压强随之改变。这种变化不同于无机盐溶液和有机物溶液系统，系统的气体跨膜临界压力阈值随着溶液中双亲分子浓度的增加呈现出非线性变化。该体系的构建为无电可视化化学检测的应用提供了前提。
图2. 响应性液体门控系统的动态界面及其气体跨膜临界压力阈值特性
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
研究表明，气体跨膜临界压力阈值的变化随着待测物类型的差异则呈现不同特性（图3）。对于金属离子，气体跨膜压力阈值随着检测物浓度的增加表现出降低的线性关系。高价金属离子的临界压力阈值降低效果明显高于一价离子。而对于有机溶剂类检测物，系统的气体临界压力阈值随着浓度的增加先增后降。这些现象源于门控液体中待检测物质和功能分子的偶极诱导相互作用，导致功能双亲分子在界面上重新排布，宏观上表现为界面张力变化，最终影响气体跨膜临界压力阈值。
图3. 响应性液体门控系统对不同待测物的响应性
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
进一步，以二价金属离子Ca2+为例，作者通过设计可视化化学检测装置来探讨检测的灵敏度和检测限（图4）。结果表明，微量待测物就可以引起系统气体跨膜临界压力阈值的显著变化。其中，双亲分子的浓度和系统中膜材料的孔径是影响检测限的重要因素。在实际的化学检测过程中，响应性液体门控检测系统的检测信号可以最终通过可视化的标记液滴的移动来实现，且该过程无需耗费电能。
图4. 响应性液体门控系统应用于无电可视化化学检测
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
结论：作者基于表面活性剂的研究与液体门控系统构建了响应性液体门控新机制，通过直观地监测气体跨膜临界压力阈值来实现化学检测，得到检测物的成分、浓度等信息。该液体门控化学检测应用展示了响应性液体门控体系的广阔前景。
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201814752）上。文章的共同一作为厦门大学化学化工学院的博士生樊漪和博士盛智芝，侯旭教授为独立通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、111引智计划、福建省自然科学基金、福建省战略性新兴产业专项及中国博士后科学基金等基金的支持。
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