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傳統的傳感器基於「鎖-鑰」設計理念對待測物進行檢測，為此需要設計出具有高選擇性和特異性的受體。這種傳感器一方面會受到來自與特定目標分子具有相似結構或理化性質的物質的干擾；另一方面，為複雜或者未知樣品中的待測物設計高選擇性的受體具有很大挑戰性。受哺乳動物嗅覺系統的啟發，新興的「傳感陣列」分析策略基於模式識別，打破了傳統的「鎖-鑰」理念，是對傳統分析方法的補充。傳感陣列由多個傳感單元組成，這些傳感單元與一系列的待測物均會產生不同的相互作用，而非特異性地與某一個待測物結合。藉助統計學方法，將這些響應信號轉化為每種待測物特定的「指紋圖譜」，從而實現對每種類似物的識別。傳感陣列應用的兩個關鍵要求是提高傳感性能和傳感設備小型化。但是，添加更多信息通常需要向陣列添加更多感測元件，這與小型化是矛盾的。解決此問題的另一種方法是記錄來自一種傳感器的多種傳導原理的信號。因此，新興的多通道傳感器陣列正在向多材料傳感器陣列發出挑戰，這是因為後者一般意味着繁瑣的合成和資源的浪費。為了克服這些缺點，高階傳感陣列整合了單一材料不同的轉導原理，使傳感單元簡單化。然而，具有多種信號的傳感材料仍然是罕見的。

基於此，西南大學李念兵教授和羅紅群教授團隊將分析化學與統計學方法結合，提出了一種基於新型納米材料硫量子點（S dots）的多通道傳感策略，從高通量識別的角度來區分和檢測多種金屬離子。

由於硫原子對金屬離子的親和力不同，本研究選擇了8種金屬離子（Cu2+、Pb2+、Ni2+、Fe3+、Co2+、Hg2+、Au3+和Fe2+）作為待測物來評估該多維傳感陣列的性能。不同金屬離子存在時，包括熒光（FL）、二級散射（SOS）和紫外-可見吸收（UV-vis）在內的多種光學信號發生了不同程度的變化。與之前報道的識別金屬離子的傳感陣列不同，我們小組發現FL和SOS這兩種不同的光學信號可以在熒光分光光度計上巧妙地整合併同時採集。因此，SOS與FL的比值（S/F；channel1）首次作為一個信號單元引入多維傳感陣列。此外，Sdots和金屬離子的相互作用引起了紫外-可見吸收光譜的變化，330 nm處的吸收被定義為channel2。藉助線性判別分析（LDA）和層次聚類分析（HCA）的統計學方法將上述雙通道信號的變化分別轉化為「指紋圖譜」和「歐幾里得距離」，實現了8種金屬離子的識別與檢測。


該工作亮點主要包括：

（1）以單一的納米材料S dots為傳感器收集了多重信號，為探索S dots在具有微小差異的類似物識別提供了一個實例。

（2）首次在多通道傳感陣列中引入了比率信號（SOS與FL的比值），通過內置的自校準極大地消除了環境因素的干擾，提高了信號的保真度。

（3）多通道的傳感平台不僅能實現實際水樣中多種金屬離子的定性檢測，也能對混合的金屬離子完成半定量分析。

（4）對盲樣的識別結果準確率達到95.83%, 這一結果進一步驗證了該多通道傳感陣列識別多種金屬離子的準確性和可信度。

綜上所述，該傳感器陣列巧妙地從單一的納米材料收集多個傳感信號，極大地簡化了合成過程，減少了複雜的實驗操作，避免了資源的浪費，並且提高了結果的可信度。這一策略為多維傳感陣列的構建帶來了新的思路，並為類似物的識別和環境監測提供了有價值的參考。

該文章題目為From the perspective of high-throughput recognition: Sulfur quantum dots-based multi-channel sensing platform for metal ions detection（ DOI：10.1016/j.cej.2022.139594），發表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal。西南大學化學化工學院李念兵和羅紅群教授為通訊作者，博士研究生孫哲為第一作者。

原文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139594

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