仿生传感器是一种模拟生物系统的传感器，通过模拟人类的感知系统来提升传感器性能和灵敏度，主要是在视觉、味觉、嗅觉、听觉和触觉等方面。声音作为一种无处不在的物理现象，是情感表达、文化传递及环境感知的重要载体。然而，听力障碍者由于疾病或先天性缺陷而无法有效感知声音。因此，研发高性能的仿生声学传感器具有重要的意义。
味觉和嗅觉是人类感知食物的重要方式，在识别食物的种类和质量方面发挥着至关重要的作用。苦味感知在检测食物中有毒物质方面很重要，从而保护身体免受有害物质的侵害。另外，在食物变质过程中，通常会产生并释放生物胺(BAs)气体，这种气体被认为是食物变质的重要标志之一。然而，某些疾病，如感冒或上呼吸道感染，如COVID-19，可能会影响味觉和嗅觉。
因此，仿生传感器的发展对于声学、味觉和嗅觉信息的监测用于多模式感知具有重要意义。近日，同济大学化学科学与工程学院闫冰教授团队相关研究成果以“Bionic Luminescent Sensors Based on Covalent Organic Frameworks: Auditory, Gustatory, and Olfactory Information Monitoring for Multimode Perception”为题在线发表于《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）期刊。
由于光信号的稳定性、制备工艺的便捷性和可重复使用性，荧光传感器在仿生传感领域潜在的科学价值和实际应用价值不容忽视。近年来，许多发光双峰仿生传感器被开发出来，如压力-听觉、听觉-嗅觉和气流-听学双峰传感器。双峰传感器可以通过双传感功能进行监测，更准确地识别检测目标。然而，开发具有听觉、嗅觉和味觉功能的传感器仍然是一个巨大的挑战。发光多模仿生传感器尚未见报道。
目前，合成具有优异发光性能的共价有机框架材料(COFs)并将其有效应用于仿生传感领域仍然是一个艰巨的挑战。在本研究中，同济大学闫冰教授团队构建了四种具有不同羟基数目的COFs，而苯-1,3,5-三甲醛（BTA）配体上的羟基数目影响最终COFs的性能。以水合肼（HH）和具有1个羟基的BTA为配体制备的COF（HHBTA-OH）具有最佳的荧光性能。MA@HHBTA-OH是由HHBTA-OH与米氏酸（MA）反应形成的，具有极高的亲水性、分散性和强烈的红色荧光，可以模仿人类的味觉系统来检测苦味物质。
在此基础上，研究人员将MA@HHBTA-OH与琼脂糖（AG）结合，构建了一种仿生视觉-嗅觉传感装置(MA@HHBTA-OH@AG)，用于评估食品新鲜度。此外，通过强氢键将发光材料MA@HHBTA-OH与三聚氰胺泡沫（MF）相结合，制成了MA@HHBTA-OH@MF声学传感器。这种声学传感器能够在52至93dB的范围内有效监测声音，展现出极高的灵敏度、超低的检出限、卓越的抗干扰能力以及良好的重复性。MA@HHBTA-OH@MF的功能类似耳膜，通过压力波识别声音。此外，这种基于MA@HHBTA-OH的仿生传感器在解决由COVID-19引发的特定健康问题方面显示出潜在的应用前景。
同济大学化学科学与工程学院权雪平博士生为论文的第一作者，闫冰教授为论文的独立通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15289
