ACS Mater. Lett.┃AIE手持检测笔用于有毒气体的现场可视化检测

英文原题：Development of Reaction-based AIE Handy Pen for Visual Detection of Toxic Vapors

通讯作者： Ben Zhong Tang (唐本忠), The Hong Kong University of Science and Technology

作者：Xuelin Huang（黄雪琳）, Zhe Jiao（焦哲）, Zongning Guo （郭宗宁）, Jialing Yang（杨佳玲）, Parvej Alam, Yong Liu （刘勇）, Yongfan Men （门涌帆）, Pengfei Zhang （张鹏飞）, Haitao Feng （冯海涛）, Shuhuai Yao （姚舒怀）, Ben Zhong Tang（唐本忠）

近年来生物安全和食品问题成为大众关注的焦点，也对相关目标物质与成分的检测提出了新的需求。特别是在海关、战场、边远不发达地区，这些地方条件受到限制，进行现场检测与快速反馈至关重要。神经毒剂（Nerve agent）是一类含磷的有机化学物质（有机磷酸盐），可以破坏生物神经将信息传递到器官的机制。神经性毒剂引起的中毒会导致瞳孔收缩、大量唾液分泌、抽搐、大小便失禁，并导致呼吸肌的控制丧失而窒息死亡。一些神经药剂容易蒸发或雾化，并且经由呼吸系统进入身体。神经性毒剂也可以被皮肤吸收。然而神经毒剂无色无味，一旦被人体吸入会产生致命影响。神经毒剂中毒后，难以单独通过体征判断，需要依靠实验室化验结果确定。目前对有毒气体的检测方法包括了气相色谱-质谱法，离子迁移色谱法等。这些方法虽然准确，但是需要依赖大型仪器，无法实现现场检测与甄别，因此，建立一种可便携的小巧的检测装置对于有毒气体的快速判断方法意义重大。荧光分析法由于具有高灵敏度、成本低和易于可视化等优势在气体检测领域得到了一定的应用。但大部分是荧光分析是基于液态的荧光分子建立的分析方法，装置不便携，不能满足现场分析的需求，因此具有固态发光性能的荧光探针对于开发便携检测装置意义重大。

图1. AIE便携检测笔的研制及构造

传统的荧光分子在固态时通常会发生聚集引起荧光猝灭现象（ACQ），而唐本忠院士课题组在2001年发现的聚集诱导发光（AIE）荧光分子与传统荧光分子相反，它在固态时荧光增强，为实现固态检测提供了可能。研究人员尝试基于课题组前期研究的AIE传感器 (如：TPE-Py以及DQ₂) 作为响应元件，通过溶胶凝胶法将其固载在二氧化硅石英纤维表面构建了一种可伸缩笔芯，进而开发了一种易于便携的AIE检测笔（图1）。作者的初步实验表明，通过不同响应性能的AIE传感器修饰，这一检测笔可以用于对有毒气体神经毒剂类似物氯亚磷酸二乙酯 (DCP) 和生物胺的快速现场检测。从而为AIE材料在便携型现场检测装置的开发探索了一条新的途径。需要指出的是目前这一尝试尚处于研究开发的初级阶段，还有大量的工作需要基于东莞理工学院、中国科学院深圳先进技术研究院以及广东省大湾区华南理工大学聚集诱导发光高等研究院的平台进一步开展。

图2. 神经毒剂类似物DCP的检测原理以及不同DCP浓度时检测笔随时间在紫外灯下颜色变化情况

通过溶胶凝胶固载TPE-Py传感分子时，由于三氟乙酸的存在，首先TPE-Py被纸质化，发出黄色的荧光，当接触到DCP气体时，吡啶基团和膦酸基团结合，发出蓝色荧光。因此检测笔会发生蓝色到黄色光的转变进而实现对DCP 的可视化检测。研究了在不同浓度下检测笔颜色随时间变化规律（图2）。在DCP浓度为0.01 ppm，颜色变化时间为 60 min，但是随着浓度的增加如在0.3 ppm，颜色变化时间为30 min。在5.0 ppm DCP下，10 min内颜色从黄色变成绿色。通过将纤维的亮度转变成灰度值，在MATLAB下对数据进行了处理，计算得到DCP的检出限为3.4 ppb，该检出限和文献报道的电化学传感器接近。

图3. 挥发氨的检测原理以及随着氨气浓度检测笔在紫外灯下随时间变化规律

为了拓展检测笔的应用范围，将对氨响应AIEgen 1, 2-dihydroquinoxaline (DQ₂), 也通过溶胶凝胶法固载在纤维上。同样在DQ₂首先被质子荧光猝灭，遇到氨气时再次发出黄色荧光（图3）。在低浓度的氨（0.2 ppm）下检测笔在25 min发出黄光，在0.5 ppm浓度的氨存在下，15 min发光，而在高浓度（20.0 ppm）时，5 min检测笔即可发光。通过MATLAB对图片处理，得到对氨的检出限为0.17 ppm，与文献报道方法接近。同时将该检测笔用于实际样品三文鱼挥发性生物氨的检测，与商品化的试剂盒进行对比，发现研制的检测笔检测时间短，灵敏度高同时更加便携，适合食品监管部门或者居家检测。

本工作开发的便携AIE检测笔是将AIEgens用于现场分析检测的初步研究，未来将开发出更多的适合现场检测的便携检测装置，用于环境污染、食品安全和公共安全方面领域。

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Development of Reaction-Based AIE Handy Pen for Visual Detection of Toxic Vapors

Xuelin Huang, Zhe Jiao*, Zongning Guo, Jialing Yang, Parvej Alam, Yong Liu, Yongfan Men, Pengfei Zhang*, Haitao Feng*, Shuhuai Yao, Ben Zhong Tang*

ACS Materials Lett., 2021, 3, 249–254, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00516

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（本稿件来自ACS Publications）