高性能结构色传感器的设计依赖于响应性构建单元与光子结构的合理组合。天然生物聚合物（如反射蛋白、噬菌体、蚕丝和纤维素纳米晶体）因其良好的加工性，可用于制备可调谐且均匀的光子结构。当目标刺激与响应性聚合物相互作用时，光子结构会发生膨胀或收缩，导致颜色变化。低成本、便携式的高分辨率数码相机可用于观察颜色响应，但其性能受环境光照等外部干扰因素影响较大，且颜色分辨率受限于人眼或相机的感知能力（△E₀₀≤2.3时难以分辨）。目前，许多比色传感器仍需依赖贵金属复合材料来增强反射或颜色响应。因此，如何突破比色法的固有局限，实现微小结构变化的高分辨率检测仍是一大挑战。近期，我院生物表界面与智能大分子研究团队提出了梯度表面比色传感器的新策略。

该工作受晶体X射线衍射现象（布拉格镜）的启发，提出了一种梯度表面比色传感器（GSCS），通过厚度梯度薄膜将3D结构变化转化为2D干涉图案。与以往追求厚度均匀性的研究不同，本研究利用薄膜厚度差异性，通过两步旋涂法在硅基底上制备具有理想厚度梯度的蛋白质纳米晶体薄膜。当传感器与刺激物蒸气作用时，厚度增加表现为干涉图案从中心向外扩展。进一步，这种像素级图案响应可定量转化为一维色差积分光谱（CDIS）的位移。CDIS能够抵抗环境光照和颜色漂移的干扰，其基于像素的模式识别比简单颜色识别更灵敏、更准确。实验证明，蛋白质纳米晶体衍生的GSCS平台在检测水分和生物胺蒸气时表现出高性能传感能力，尤其是使用普通工业CCD相机（510×510像素）时，CDIS实现了亚0.5 Å的空间分辨率，其灵敏度比专业光谱仪获取的反射光谱高2.6至5倍。这一成果为高性能比色传感器的开发提供了一种经济高效且通用的新工具。

该布拉格镜子由响应性“核-壳”结构蛋白质纳米晶体组成，首先，还原剂三(2-羧基乙基)磷胺(TCEP)被用于有效还原溶菌酶的二硫键，导致蛋白质解折叠，随后在47℃和pH值为4时诱导形成“核壳”纳米晶的淀积状聚集。这些纳米晶体可作为构建梯度表面比色传感器(GSCS)的基本单元，其表面富含带正电荷的氨基酸残基(如精氨酸、赖氨酸)，赋予传感器对微环境湿度/pH变化的高响应活性 （Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202310879; Angew. Chem. Int. Ed. 2017 , 56, 13440–13444.）。关于梯度表面比色传感器(GSCS)的制备，需要在120-200 nm的合适厚度梯度范围内方便地构建以获取CDIS中完整的构建信号。然后，将用于制备蛋白质薄膜的上述步骤改编为两步旋涂策略，以构建由旋转中心到边缘逐渐减小的厚度梯度。在第一次低速旋涂过程中，通过溶剂蒸发，液滴湿润区域的半径(Rw)降至临界阈值以下（3.24mm）；在接下来的高速旋涂步骤中，液滴经历了边缘到中心的收缩干燥，生成具有厚度梯度（从厚到薄沿中心至边缘方向）的蛋白质薄膜。而当Rw>3.24mm时，液滴可能扩散以形成单色膜。这种两步旋涂衍生的液滴收缩干燥行为通过有限元分析(FEA)进一步得到分析和支持。

梯度表面比色传感器（GSCS）的制备原理及相应的驱动基础：

分别通过吸附膨胀和结晶膨胀机制用于湿度及腐胺蒸气检测。通过“曝光-显影”策略，我们成功实现了高湿度环境下海鲜腐败的实时监测。与专业光谱仪的反射率测量相比，布拉格图案分析在两种检测模式中均展现出2.6-5倍的灵敏度提升。这项工作为开发高性能、低成本比色传感器提供了新思路，其功能可媲美甚至超越笨重昂贵的现代光学传感器。

梯度表面比色传感器（GSCS）的湿度传感：

梯度表面比色传感器（GSCS）对胺类蒸汽的传感：

梯度表面比色传感器（GSCS）在高湿度环境下对腐胺蒸汽的检测：

梯度表面比色传感器（GSCS）对虾的变质情况的检测：

总之，我们开发了一种全新的传感机制，通过布拉格镜诱导反射，从三维梯度表面转变为基于二维像素的图案，实现了在检测微小结构变化时的超高空间分辨率。作为一种布拉格镜，具有理想的从中心到边缘厚度梯度的梯度结构薄膜，可通过在硅基底上两步旋涂类淀粉样蛋白纳米晶体溶胶轻松制备。相应地，针对外部刺激的从结构到图案信号的驱动过程，进一步简化为可量化的色差积分光谱（CDIS）位移。仅使用普通的百万像素相机，厚度变化检测分辨率就能达到低于0.5 Å，这提供了超高的驱动灵敏度，相较于基于专业光谱仪的反射率响应提高了2.6至5倍。未来的研究可能不再局限于当前的两步旋涂法，而是结合微纳加工技术（如光刻、电子束蚀刻）或可编程自组装策略，以在表面或界面构建中实现亚微米级别的梯度。这种结构与功能之间的协同关系能够提高传感器阵列的灵敏度，推动设备进一步小型化，并支持多重功能，从而为开发经济高效的高性能生物传感器和下一代光学检测技术开辟新途径。

该工作以“Gradient Protein Thin Film-Based Bragg’s Mirror”为题发表在J. Am. Chem. Soc.上（J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: org/10.1021/jacs.5c06430）。陶菲副研究员为论文共同第一作者第一位，2023级硕士研究生李雅丽为共同第一作者第二位，杨鹏教授为论文通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基金、陕西省青年基金等项目的支持。

供稿人：陶菲、李雅丽