【儀表網 研發快訊】精準化學物質識別是眾多領域至關重要的技術需求(如公共安全、環境監測、食品安全等)，尤其是對結構、性質相似的多個目標物的區分識別，關系到及時預警和采取何種恰當的處置措施。中國科學院新疆理化技術研究所痕量化學物質感知團隊緊密圍繞國家公共安全戰略需求，長期致力于該領域關鍵物質的探針分子設計調控、傳感材料開發、傳感識別原理構建及現場可視化分析裝備研發等的體系化研究。迄今為止，該團隊已提出了系列原始創新的傳感分析體系，實現了軍用爆炸物、易制爆危化品、毒品及神經毒劑等的高靈敏、高特異、可視化檢測/監測(Adv. Mater. 2023, 35, 2300526、Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202400453、JACS Au 2024, 4, 545、Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203358、Adv. Sci. 2024, 11, 2309182、Aggregate 2023, 4, e315、Aggregate 2023, 4, e260等)。
針對危險化學品乙二胺和水合肼具有極其相近的結構和性質，難以精準區分識別這一領域難題，團隊從二者微弱的親核性差異入手，提出了以不飽和雙鍵作為識別位點，構筑了具有差異化親電性雙重識別位點的熒光探針。具體來說，乙二胺和肼分別與探針中位點1和2通過親核加成反應生成不同產物結構，并分別輸出具有顯著差異的光學信號(比率熒光、熒光猝滅)，實現了二者的區分檢測。結合高分辨質譜和密度泛函理論分析反應過程，驗證了上述檢測機理。在此基礎上，通過將探針負載在基底材料上制備功能化器件，結合深度學習圖像處理算法，實現了乙二胺在亞ppm級濃度的準確識別，突破了可視化光學傳感在痕量物質光學信號判別方面的固有限制，為光學傳感領域痕量目標物(尤其是結構類似的多目標物)精準判別提供了解決思路。與已報道的檢測方案相比，該探針對乙二胺具有優異的傳感性能，反應速度快(<0.2 s)，靈敏度高(液體為檢測限為8.6 nM，氣體檢測限為1.61 ppb)，同時，可以實現乙二胺與12種胺類化合物和30種其他干擾物(結構類似物、水溶性無機鹽、常見藥用輔料等)的有效區分。
本工作不僅首次實現了結構和性質高度類似的乙二胺和肼的同步光學識別，且該探針優異的傳感響應性能刷新了乙二胺光學探針的檢測靈敏度和特異性，為多目標可視化探針的設計提供了研究范式。由于本研究涉及多個領域，包括小分子探針、光學傳感方法、便攜器件、固液氣檢測、深度學習算法等，有望引起化學、物理學、傳感分析、工程學以及人工智能領域研究人員的廣泛關注。更重要的是，這項工作中以光學探針為核心開發的便攜器件展示出在多個領域的廣泛應用潛力，如危化品儲運環節的預警和及時處置、公共安全事件的有效防范、環境敏感物質原位檢測等。
相關研究成果以“Electrophilicity Modulation for Sub-ppm Visualization and Discrimination of EDA”為題發表于國際知名期刊Advanced Science，石河子大學聯合培養碩士研究生趙浩為第一作者，石河子大學唐輝教授、中國科學院新疆理化所劉媛研究員和竇新存研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、新疆自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究計劃、新疆科技廳天山創新團隊等項目的資助。
圖1 圖文摘要：以探針雙識別位點的親電性為度量標準，在廣泛有機胺類物質中可視化識別出具有細微親核差異的乙二胺和肼
圖2 (a)雙親電位點探針設計及對乙二胺和肼的同步光學響應；(b)基于深度學習算法的痕量乙二胺和肼的有效區分識別；(c)便攜式傳感器件用于多場景下固液氣樣品中乙二胺的準確識別
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