用于丙酮检测的壳聚糖‑聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸盐)‑金纳米粒子复合材料在等离激元成像传感器中的应用

呼气线索与更安全的工作场所

丙酮最常被人们认识为指甲油去除剂，但它也会在工厂、实验室，甚至我们的呼气中挥发。呼气中丙酮的含量可以提示糖尿病等疾病，而在工作场所浓度过高则会威胁健康与安全。该研究提出了一种新的光学传感器涂层，能够快速且选择性地检测丙酮，即使在存在其他常见醇类蒸气的情况下也能区分，为便携式呼气检测器和简易工业监测器铺平了道路。

为何我们关心这种溶剂的气味

丙酮是一种小分子、高度易燃的液体，作为强效清洗剂和溶剂广泛用于制药、化妆品、纺织、涂料以及研究实验室。由于它易挥发，人们常会接触到其蒸气。医生从另一个角度对其感兴趣：呼气中的丙酮是糖尿病及危险的糖尿病酮症酸中毒等状况的重要“生物标志物”。通常测量需要复杂的实验室设备。若能有一种紧凑、简单的设备实时检测微量丙酮，就能在无需采血的情况下帮助追踪疾病，并提升工业环境的安全。

如何用光“闻”化学物质

这项工作设备的核心是表面等离激元共振成像（SPRi）传感器。简单来说，一束红色激光通过玻璃块照射到一层薄薄的金膜上。在特定角度，光会耦合到金属表面的电子波动，使反射光束出现异常的暗点。这个暗点对覆盖在金膜上的物质以及接触其表面的蒸气极其敏感。当丙酮分子吸附到放在金膜上的特殊涂层时，会微妙地改变光的反射情况。相机记录亮度分布随时间的微小变化，计算机分析这些变化将其转化为蒸气与表面相互作用强度的度量。

由甲壳类壳体与黄金构成的智能涂层

研究人员制备了两种版本的敏感涂层。两者都以壳聚糖为基础——一种常从虾壳提取的类似糖的材料——与导电聚合物PEDOT:PSS混合而成。壳聚糖提供了许多能与丙酮形成暂时键合的位点，而导电聚合物则有助于将这些相互作用传递给下面对光敏感的金膜。在增强型中，研究组加入了通过在液体中用激光脉冲轰击金靶制得的微小金纳米颗粒。显微镜和光谱学测试证实这些颗粒近似球形，在薄膜中分散均匀，并与周围的聚合物及壳聚糖网络紧密结合。

实时观察丙酮的结合过程

为评估性能，团队将两种涂层暴露于纯丙酮蒸气以及与甲醇或乙醇混合的丙酮蒸气中，这两种常见醇类往往会干扰许多传感器。在反射图像最暗的角度处，他们跟踪平均亮度随秒级时间的变化。对两种涂层来说，信号在丙酮被吸附时上升、释放时下降。但含金纳米颗粒的版本响应更快且强度变化大得多——其灵敏度约为基础薄膜的1.6倍，同时具有非常低的检出限。当丙酮与乙醇或甲醇稀释时，信号变小，大致与较低的丙酮含量相匹配。显著的是，当涂层仅暴露于纯乙醇或甲醇时，信号几乎没有变化。

金纳米颗粒为何能带来差异

增强涂层性能的原因既涉及化学也涉及物理。壳聚糖含有可以通过氢键和电性相互作用吸引丙酮强极化羰基的胺基和羟基。导电聚合物与壳聚糖共同提供了大量这样的结合位点。加入金纳米颗粒会增强表面的局域电场并增加可移动电荷的密度，使光学信号对任何结合事件更为敏感。因此，丙酮分子相比与表面相互作用较弱的甲醇或乙醇，会在反射光图样上引起更大的变化。

从实验室装置到实用检测器

研究表明，将壳聚糖、导电聚合物和金纳米颗粒制成的薄膜与SPR成像系统结合后，可作为对丙酮高度选择性的“嗅觉”元件。该方法无需标记，仅依赖光学与图像处理，在室温下并使用简单硬件即可工作。由于传感器对丙酮的响应强烈而对相似醇类蒸气几乎不敏感，它可被用于监测代谢健康的呼气分析仪，或用于监测工厂和实验室中溶剂泄漏的紧凑型检测器，提供一种易于获取且灵敏的丙酮检测手段。

引用: Sadrolhosseini, A.R., Bizhanifar, A., Akbari, L. et al. Chitosan-poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)-AuNPs composite for acetone detection using plasmonic image sensor. Sci Rep 16, 7069 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38050-4

关键词: 丙酮传感器, 呼气分析, 等离激元成像, 金纳米颗粒, 壳聚糖复合材料