检测硝基炸药，比嗅探犬更灵敏：MO@MOF传感界面 | NSR

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研究者给金属氧化物（MOs）纳米线阵列穿上一层光活性的金属有机框架（MOFs）“膜外衣”，通过界面协同，实现了室温下对ppq级别硝基爆炸物的高选择性检测。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），中科院福建物质结构研究所邓韦华和京都大学姚明水博士为论文的共同第一作者，中科院福建物质结构研究所徐刚研究员，李春森研究员，北京理工大学王博教授和京都大学北川进教授为共同通讯作者。

CSP(TiO₂, NH₂-MIL-125)复合材料的设计合成及硝基爆炸物检测

据“对武装暴力采取行动组织”（AOAV）官方网站报道，仅在2021年，就有超过1.9万人（平民占59%）因炸药使用而伤亡。然而由于爆炸物的饱和蒸汽压极低，如RDX（环三亚甲基三硝胺，又名黑索金，现役高能炸药）的室温饱和蒸汽压仅4.9 ppt，现役传感器难以在室温下对其实时、无接触和高灵敏的检测。

针对这一挑战，该文构建了一种以TiO₂纳米线阵列为核，NH₂-MIL-125取向薄膜为鞘的核鞘柱复合材料CSP(TiO₂, NH₂-MIL-125)。该复合材料具有独特的可见光响应和能带匹配的协同界面，显示出优于嗅探犬的RDX检测能力。

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合成

研究者使用两步籽晶辅助溶剂热法“诱导”MOF薄膜在TiO₂纳米线上可控生长，就像给TiO₂裹上一层取向的MOF外衣。如下图所示，通过XRD、紫外可见吸收光谱、扫描电镜，以及透射电镜等表征，可以看到NH₂-MIL-125以连续的纳米片薄膜的形式均匀的外延生长在TiO₂纳米线上，且MOF鞘层在TiO₂纳米线的两侧和顶部均沿c轴择优取向生长。

CSP(TiO₂, NH₂–MIL–125)的（左边）侧边和（右边）顶部的高倍透射电镜图像。

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RDX检测能力

可见光照射下，CSP (TiO₂, NH₂-MIL-125)对跨越11个量级的宽浓度范围（8 × 10^-10 到16 ppm）的RDX都具有高灵敏度的室温响应，且能对距离远至8 m或者质量低至5 mg的RDX实时非接触检测，响应时间仅约8 s。实测检测限（LOD）低至0.8 ppq（10^-15），这比嗅探犬等金标准检测技术（未预富集）的检测下限优化了1000倍，相比于已报道的化学电阻型气敏材料，响应值最高。值得一提的是，只需简单的在器件前端加上疏水布作为水屏蔽层，即使是在95% RH的高湿环境下，器件响应值也能保持在90%以上。

CSP(TiO₂, NH₂-MIL-125)在常温及可见光辅助下检测RDX时的气敏性能：（a）浓度依赖的响应-恢复曲线，（b）响应值-浓度标准曲线，（c）响应-恢复时间（d）选择性。

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机制分析

进一步分析显示，外衣（MOF鞘层）中的氨基不仅增强了对可见光的吸收，还与RDX中的硝基形成酸碱对，结合其较高的比表面积，增强了对痕量RDX选择性富集效果。理论模拟计算表明，在MOF与TiO₂界面形成Type II异质结，像“电子抽滤泵”一样，促进光生电子-空穴的分离，加快了电子从NH₂-MIL-125传输到TiO₂表面产生活性氧物种。多因素协同作用，赋予CSP (TiO₂, NH₂-MIL-125)对RDX室温高灵敏度高选择性检测能力。

（a） CSP (TiO₂, NH₂-MIL-125)，NH₂–MIL–125与TiO₂在可见光下的光电导，（b）NH₂-MIL-125吸附RDX前后的紫外-可见吸收光谱，（c）TiO₂，NH₂-MIL-125及其与RDX分子接触界面的结构，（d）NH₂-MIL-125中的有机配体，金属节点以及RDX吸附在有机配体界面的能级图和前沿分子轨道。

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