图11.利用(A)的氧化还原特性进行硫醇感测的不同策略，导致(i)(107)和(ii)中的LMW水凝胶塌陷，并导致(iii)中的交联水凝胶发生凝胶溶胀。(B)引发反迈克尔加成反应的趋势，导致凝胶溶解。(C)破坏金属-水凝胶中金属-配体交联的金属配位能力

酒精(乙醇)

监测生物发酵中乙醇的浓度是啤酒工业中最重要的过程之一，因为浓度超过10 vol%会导致酵母活性降低和产量降低。

用于乙醇感测的聚合物水凝胶材料依赖于其存在引起的水凝胶体积变化。例如，Erfkamp等在压电传感器装置中使用化学交联的聚(丙烯酰胺)-双(丙烯酰胺)水凝胶来检测乙醇。如图12所示，乙醇的存在会使水凝胶收缩，从而改变弯曲板上的溶胀压力，从而导致与乙醇浓度成比例的测量信号中的压阻变化。(参考:J. Sens. Sens. Syst. 2018, 7, 219– 226)

图12.Erfkamp用于乙醇的水凝胶压电传感器的设计。

其他与生物有关的分析物:毒素，药物和代谢物

Yang和Zhu的曲霉毒素A(OTA)DNA水凝胶传感器利用其适体使包含DNA链的聚(丙烯酰胺)交联形成水凝胶，并预先装载了13 nm AuNP。(图13).(参考:ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6982– 6990)

图13.(A)基于DNA适体的凝胶塌陷，用于检测O曲霉毒素A(OTA)。(B)体积条形图芯片，可轻松直观地量化OTA。

DNA适体水凝胶还可以方便地进行药物检测。例如，可卡因对水凝胶的破坏作用可以释放出预装的淀粉酶，该酶分解直链淀粉I2络合物，使溶液从深蓝色变成无色。碳纳米材料的结合，例如氧化石墨烯(GO)和碳纳米点 进入水凝胶也可用于荧光检测药物，如抗生素。GO的较大π表面以及其上附加的羧酸和羟基使富氮杂芳族分子(如腺苷)能够通过氢键和π堆积相互作用与之相互作用，从而形成水凝胶(图14)。

图14.抗生素感测策略。(A)GO-腺苷水凝胶，对土霉素具有“开启”荧光反应。(B)用于敏感四环素检测的分子印迹IOH。

4.气体

气态生物信号分子:一氧化碳和一氧化氮

总而言之，H2S，一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO)是在人体中自然产生的仅有的三种已知的气态信号分子，它们负责调节大量的生物过程。

Yan的研究小组在2020年报告了一种高分子自修复水凝胶，其通过palladacycles交联形成动态大分子网络。含有30 wt%聚合物的水凝胶对CO的反应是发生不可逆的凝胶塌陷，这是由于Palladacycles经历了CO插入-消除反应而形成羧酸的结果(图16)。(参考:Polym. Chem. 2020, 11, 779– 783)。

图16.使用Yan的palladacycle交联的聚(N，N-二甲基丙烯酰胺)聚((对二甲胺)甲基丙烯酸苄酯)水凝胶和(B)NO可以检测(A)CO的水凝胶的作用机理 i)聚丙烯酰胺基凝胶的溶胀，以及(ii)LMW水凝胶的凝胶塌陷。

二氧化碳(CO2)

由生物呼吸和碳氢化合物的氧化/燃烧产生的二氧化碳是一种重要的温室气体，需要定期监测其水平以评估室内空气质量，肺功能和许多工业过程。水凝胶传感器中的CO2检测通常利用溶解于水中时形成碳酸的能力，从而降低水凝胶溶液的pH值和使碱性官能团质子化，从而触发凝胶化或水凝胶溶胀。

CO2触发的胶凝是检测它的常用策略。Zhao报告了三嵌段PMAA-b-PEO-b-PMAA和PDMAEMA-b-PEO-b-PDMAEMA共聚物的水溶液，它们的不同pKa值在存在CO2的情况下导致不同程度的质子化(图17)。(参考:Macromol. Chem. Phys. 2017, 218, )

图17.用于水凝胶CO2传感的不同策略:(A)PDMAEMA在PMMA单元上的选择性质子化触发凝胶化;(B)2-氨基苯并咪唑的质子平衡，改变其与αCD的结合亲和力;(C)通过质子化触发蠕虫状胶束形成 溶解的二氧化碳使TMPDA分解。

氧气(O2)

铂(II)-卟啉配合物由于具有较高的光稳定性和较长的三重态寿命，因此可以用作荧光O2传感器，从而有效地将能量转移至O2，从而降低了其发射强度。通过将甲基丙烯酸酯基团连接到Pt-卟啉络合物上(图18A)，可以将该络合物与诸如甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA)和丙烯酰胺之类的单体共聚，从而在石英玻璃基板上形成化学交联的水凝胶薄膜。当暴露于溶解有O2的饱和水溶液中时，观察到快速荧光猝灭(图18B)，仅需70 s即可获得稳定的荧光读数。(参考:Chem. Rev. 2008, 108, 400– 422)