基于不同光热剂和材料的光热传感器研究进展

　　通讯作者和单位：卢小泉，薛中华 西北师范大学
　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214149
　　关键词：Point-of-care testing•Photothermometric•Photothermal materials•Naked eye•Simple signal readout
　　光热传感策略作为一种强大的即时检测(POCT)方法，在各种化学/生物传感领域引起了极大的兴趣。虽然在疾病诊断、健康管理和环境监测领域的大量比色传感器、荧光化学传感器和电化学传感器已经取得了相当大的进展，但是这些传统方法大多存在着背景信号高、时空条件不可控、操作程序复杂、成本高等明显缺陷，因此其实际应用受到严重限制。作为一种替代策略，基于各种光热材料的光热传感器目前已被证明可以有效地打破上述限制，特别其具有便携性、低成本、高分辨率、高时空可控性等优点，实现了更多潜在的应用，成为新的前沿和潜在的POCT分析方法。
　　Fig. 1. Schematic application representation of photothermometric sensors based on photothermal agents and materials.
　　到目前为止，对新开发的光热分析方法的发展的综述几乎没有报道和讨论。为了突出其重大进展，并提供对这种新兴的POCT方法的全面理解，我们总结了几种类型的光热剂和材料，并对其在光热传感器中相应的传感应用进行了综述。最后，介绍了不同光热剂和材料在光热领域面临的挑战和未来前景。
　　光热传感平台一般分为三部分：激光光源（通常使用NIR光）、温度计读取器（数字或家用温度计）、具有信号转导通道的光热剂和材料（目标依赖的光热效应）。激光源提供初始能量来诱导光的热转换。通常，在选择合适的光热基底来制造光热传感器时，应仔细考虑两个关键因素。首先，由于需要确保足够灵敏的热敏性，优先推荐使用光热剂或高效率光热转化的材料。其次，所选的光热剂或材料可以很容易地与目标分析物集成，构建信号转导通道，进一步介导样品对NIR激光照射的吸收，最终诱导样品温度升高。数字等便携式设备或家用温度计作为最终的直接接收器，从NIR激光辐照样品产生的热量中读取温度变化。
　　研究人员探索新的物理和化学性质以及各种传感分子和材料在分析化学领域的创新应用。由于其特殊的结构和独特的性质(光吸收、光稳定性和生物相容性)，一些具有良好光热效应的有机分子，包括染料分子（如吲哚菁绿）和聚合物分子（如聚多巴胺）已优先探索被用来制造光热传感器。这些分子在POCT应用中表现出良好的简单性和适用性，极大地促进了光热传感方法的发展。
　　随着纳米材料和纳米技术的发展，光热试剂的类型和性质得到了不断的提高。在发展先进的基于光热纳米材料的光热检测策略方面已经做出了许多努力。为了提高选择性和灵敏度，科研人员逐步发现并探索了一些具有优异光热性能的无机纳米材料（金属纳米粒子、普鲁士蓝纳米粒子、碳纳米材料等等）。与基于有机的光热衬底相比，这些开发的先进无机纳米材料通常具有强大的NIR吸收能力和在外部光源下的可调光响应。此外，它们具有良好的光热稳定性和化学稳定性，可以显著提高其光热转化效率。
　　为了寻找具有高光热转换效率的新型光热材料，开发相应敏感的光热传感策略，一些具有特殊结构和多样化功能的复合纳米材料引起了广泛的关注。为了开发复合材料在光热分析等方面的新应用，我们提出了一些具有高光稳定性和光热转换效率的复合光热纳米材料。与传统的单组分光热吸收器相比，这些复合光热材料具有较高的光热效率和良好的传感响应等优点。
　　虽然光热传感取得了很多进展，但在今后的研究工作中，仍有一些关键问题需要考虑，包括光热检测方法的信号产生、信号放大、信号读取器和信号转换。