基于纳米纤维膜实现农业用剧毒熏蒸剂的肉眼检测

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

烷基化类熏蒸剂作为一类具有剧毒的气态杀虫剂正被广泛应用于农业生产、粮食储存及白蚁防治，快速检测并实时报告空气质量是保障农业工作者以及附近居民生命安全的必要措施。那么，是否能开发一种对致癌熏蒸剂快速响应的传感器以实现不依赖于精密仪器的高灵敏检测？近日，美国加州大学戴维斯分校的孙刚教授团队利用人体中的毒理学反应在纳米纤维膜上实现了ppb浓度范围熏蒸剂的肉眼检测。

环境中有毒气体的检测目前多依赖于精密的仪器，如气相质谱。但其昂贵的价格和复杂的检测过程并不能满足个人检测或实时监测的需求。近年来，由于颜色传感器具有操作简单、价格低廉、检测信号可肉眼识别和设备轻便可携带等优点，其开发和应用成为解决上述问题的有力手段。目前报道的检测有毒气体的颜色传感器对于兼顾快速响应和超高灵敏度仍然存在不同程度的挑战，更重要的是，对于气态熏蒸剂的颜色传感器研发仍存在较大空白。

由美国加州环保局农药监管部资助美国加州大学戴维斯分校开发的基于尼龙-6纳米纤维膜的颜色传感器成功的实现了对剧毒型气态熏蒸剂的快速且超灵敏检测。受到熏蒸剂在人体中的毒理学反应的启发，4-(对-硝基苄基)吡啶（NBP）被选为检测烷基化类熏蒸剂的颜色传感探针。本研究中，通过对溶剂体系、探针浓度和检测温度的优化选择，消除了传统NBP颜色传感方法中对高温和强碱的依赖性。更值得注意的是，采用尼龙-6纳米纤维膜作为传感器的基材不仅能在传感器表面富集熏蒸剂，从而达到在动力学上加快检测速率以获得超高检测灵敏度的目的，并且赋予了传感器轻便易操作的性能。这都得益于纳米纤维膜的超高比表面积、多孔结构、低密度和柔软等特性。该颜色传感器通过将毒理学反应与纳米纤维膜相结合，首次实现了在十分钟之内对超低浓度（低于允许的暴露限值）熏蒸剂在室温或低温下的肉眼检测（甲基碘、甲基溴和1,3-二氯丙烯的检测限分别为0.5 ppm、0.5 ppm和0.8 ppm）。

该传感器的开发不仅为农业工作者的自我保护和空气质量的实时监测提供了快速有效的方法，而且为解决颜色传感器在气体检测中难以兼顾快速响应和超高灵敏度的难题提供了思路。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是美国加州大学戴维斯分校博士研究生唐佩馨。

该论文作者为：Peixin Tang, Ho Ting Leung, Gang Sun

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Colorimetric Detection of Carcinogenic Alkylating Fumigants on Nylon-6 Nanofibrous Membrane. Part I: Investigation of 4-(p-Nitrobenzyl)pyridine as a “New” Sensing Agent with Ultrahigh Sensitivity

Anal. Chem., 2018, DOI:10.1021/acs.analchem.8b04775

孙刚博士简介

孙刚，美国加州大学戴维斯分校纺织与服装系教授。1994年于美国奥本大学化学与生物化学系获得博士学位，1994-1995年于美国奥本大学纺织工程系进行博士后工作，1995起就职于美国加州大学戴维斯分校。2007年受聘为东华大学长江讲座教授。

研究领域主要涉及功能性纺织品及纳米纤维材料的研究与应用，特别包括对生物及化学防护材料和传感器的研究开发。在相关领域发表SCI论文200余篇以及16篇美国专利，相关论文发表在Science Advances、ACS Applied Material & Interfaces、Journal of Materials Chemistry A、Analytical Chemistry 等杂志上。现任Textile Research Journal, Journal of Industrial Textiles的编委, 及AATCC Journal of Research 与Fashion and Textiles的副主编。荣获由AATCC颁发的国际纺织化学界最高荣誉2016年度奥尔尼奖章（Olney Medal）。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是如何产生的？

A：如上所述，烷基化类熏蒸剂正被广泛且大量地应用于农业生产，而其急性毒性对农业工作者和农场附近居民的生命健康造成威胁。已报道的熏蒸剂检测方法多依赖于精密的实验室仪器，这大大限制了其在个人检测防护和实时监测方面的应用。为满足这一需求，我们决定利用熏蒸剂在人体内的毒理学反应，并结合纳米纤维膜的优良性质以设计一种颜色传感器从而达到不使用任何仪器肉眼检测超低浓度熏蒸剂的目的。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战在于如何通过基础化学理论简化和优化传统NBP颜色传感系统以实现简单、便携、快速和超灵敏的气态检测。同时，由于熏蒸剂是一种易挥发的气态杀虫剂，是否能在传感器表面从环境中富集气态熏蒸剂成为传感器灵敏度和检测极限的决定性因素。在这个过程中，我们团队在化学理论和纳米纤维材料研究方面积累的经验起到了关键性作用。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：该颜色传感器的研究旨在实现超低浓度有毒气体的无仪器肉眼检测，为提高个人防护和实现实时监测提供一条理想的途径。我们希望通过这一研究使我们有机会与传感器开发相关的公司和企业达成一定合作，以真正实现该颜色传感器在个人防护上的实际应用。