IUPAC 2022化学领域十大新兴技术 | 房喻院士团队薄膜荧光传感器2022研究汇总

一、研究方向

2022年10月17日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了2022年化学领域十大新兴技术，基于房喻院士团队研究的薄膜荧光传感器入选。薄膜荧光传感因其优异的灵敏度、选择性、可调性与普适性等特征被认为是继离子迁移谱之后最具发展潜力的微痕量物质探测技术。在对应的器件中，具有荧光活性的分子通常被固定于尺寸可小至1厘米以下合适基质上，形成具有对外界刺激快速可逆响应的2D或3D薄膜材料，发挥着对微痕量物质的高效探测功能。该类荧光传感器具有尺寸小、功耗低和操作简单等优点，在便携式传感器的创制方面具有突出优势。迄今为止，房喻院士团队发展了可高效检测TNT、氨类化合物、氮氧化物、有机挥发物、杀虫剂、神经毒剂、尼古丁、病原体等在内的系列薄膜荧光传感器，创造了迄今响应速度最快、灵敏度最高的爆炸物与毒品类薄膜荧光探测记录。房喻院士团队首创的毒品薄膜荧光传感器和探测装备也开始获得应用。涉及化学战剂、神经毒剂、病原体等高危物质超灵敏探测的薄膜荧光传感器和装备研制也在有序推进中。

二、文献分析

1、基于ESIPT的荧光膜传感器实现痕量化学战剂的快速选择性检测

通讯作者：刘太宏、房喻

通讯单位：陕西师范大学化学与化工学院

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c00862

化学战剂（CWA）的高毒性和杀伤力已经引起了对用于反恐和国土安全的可靠现场和实时检测方法的日益增长的需求。由于小型化分析工具的稀缺性，在现场和实时可靠地探测机载化学战剂仍然是一项挑战。房喻院士团队合成了一种具有激发态分子内质子转移(ESIPT)和AIE特性的羰基功能化苯并噻唑衍生物(PCBO)。PCBO基荧光薄膜传感器对CWAs的典型模拟物具有较高的灵敏度，三光气的检出限为1.0 mg·m−3，氯乙基乙基硫化物的检出限为6.0 mg·m−3，二乙基氯膦的检出限为0.2 mg·m−3。此外，该传感器具有良好的可重用性(>100个循环)和前所未有的响应速度(<0.5 s)。良好的传感性能归因于传感荧光团的微环境敏感性、膜的多孔层结构和荧光团与分析物的特异性结合。此外，通过引入另一种基于荧光团(HCBO)的薄膜来实现对CWA模拟物的识别和鉴定。研制了一种以该传感器为关键部件的便携式CWA荧光检测仪，并通过对典型CWA样品(沙林)的成功检测验证了其适用性。这项研究表明，荧光膜传感器可以满足现场、实时、可靠的有害化学品检测。

2、一种高度可重复使用的荧光纳米膜传感器能够高性能地检测ClO2

通讯作者：苗　荣、房喻

通讯单位：陕西师范大学化学化工学院

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132739

二氧化氯(ClO2)是一种公认的无“三因”效应(致癌、致畸、诱变)的环境友好消毒剂，在杀菌、食品保鲜、除臭、漂白等方面具有非常显著的效果。但过量的ClO2会刺激人体呼吸系统和眼睛，甚至导致急性肾脏损伤。因此，可靠、简便的ClO2测定方法不仅可以保证ClO2的有效利用，而且可以避免潜在的危害。在此，房喻院士团队首次报道了一种基于纳米膜的荧光传感器，用于ClO2的高性能检测。该纳米膜是由荧光邻碳硼烷衍生物(CB-2CHO)与杯[4]芳烃四肼(CATH)通过界面限制动态共价缩合制备的。所得纳米膜光滑均匀。厚度至少可以从80纳米调到400纳米。同时，该纳米膜具有良好的光化学稳定性，其斯托克斯位移约为193 nm。用纳米膜构建的荧光传感器实现了对空气中二氧化氯蒸汽的快速、灵敏、选择性和完全可逆的传感。此外，通过在溶液顶空进行蒸汽采样，实现了水相中化学物质的无创检测，检出限为~0.85 mg/L。线性范围从几毫克到5000毫克/升。

3、一种增强气相中甲胺传感性能的单硼络合基荧光纳米膜

通讯作者：房喻

通讯单位：陕西师范大学化学化工学院

论文链接：

https://doi.org/10.1002/admt.202101703

基于薄膜的荧光传感器的性能高度依赖于传感薄膜的创新设计，旨在提高传感单元的可用性，并增强荧光层内分析物的传质。在此，房喻院士团队报道了苯-1,3,5-三碳酰肼与8-羟基喹啉单硼配合物通过界面限制动态共价反应制备的高孔、均匀的荧光纳米膜。值得注意的是，用这种方法制备的纳米膜的厚度可以从几十纳米调节到数百纳米。

此外，纳米膜的光化学稳定性得到了很大的提高。纳米膜的传感性能研究表明，纳米膜对气相中胺的存在具有超敏性和选择性，特别是对甲胺(MA)。其中，MA的检出限低于2.82 mg m−3，而且水蒸气、芳香烃、脂肪族烃、醇、酮等常见有机化合物的存在对检测影响不大。此外，传感是高度可逆的。随着夹层结构的创新，避免了常规薄膜传感中常见的衬底效应，必将为器件制造带来便利。在这项工作中，制作了不同的基于薄膜的传感器，显示了它们在不同场景下的潜在应用。

4、一种通过蒸汽采样高效检测单核增生李斯特菌的荧光薄膜传感器

通讯作者：房喻

通讯单位：陕西师范大学化学化工学院

论文链接：

https://doi.org/10.1002/agt2.203

单核增生李斯特菌是最危险的细菌之一，死亡率高达25%，广泛存在于蔬菜、水果、乳制品、家禽和其他食品中它们可以在大范围的温度(0-45°C)、高盐度和低水分环境中繁殖。因此，迫切需要开发快速、无创、易于操作的检测技术来实时、现场检测单核增生李斯特菌。在此，房喻院士团队首次报道了一种用于检测单核增生李斯特菌生物标志物3-羟基-2-丁酮的荧光膜传感器。该传感器对分析物表现出前所未有的传感性能，检测限低于0.05 mg/m3，响应时间小于1 s，具备完全可逆性和优异的选择性。进一步的研究表明，该传感器可用于单核细胞增生性李斯特菌的生长监测，灵敏度大大提高。

该传感器的优越性能归因于特殊设计的传感荧光团基薄膜的特殊结合、有效的电荷转移发射和多孔夹层结构。该工作为开发一种便携式检测器以满足现场和实时检测食源性病原体的需要铺平了道路。

5、一种可配置可调的基于苝二酰亚胺衍生物的荧光膜传感器，用于鱼新鲜度评估中挥发性碱性氮的可靠检测

通讯作者：刘太宏、房喻

通讯单位：陕西师范大学化学化工学院

论文链接：

https://doi.org/10.1002/cjoc.202100626

快速和实时监测食品质量对食品工业和公众健康起着至关重要的作用。为此，房喻院士团队专门合成了一种由两个PBI单元和一个刚性邻碳硼烷连接剂组成的新型PBI衍生物(PCB-EpE)，并将其用于构建用于鱼类新鲜度评价的概念荧光膜传感器。光物理研究表明，PCB-EpE在氯仿中表现为开放的“Z型”分子构型，在甲基环己烷中表现为封闭的“∆型”分子构型。相比之下，“Z型”分子构型具有较高的荧光量子产率，对挥发性碱性氮(VBN)更加敏感。值得注意的是，即使在环境湿度条件下，薄膜传感器的响应时间也小于1秒。结果表明，不同贮藏时间的鱼类新鲜度评价中挥发性碱性氮(TVB-N)含量与荧光响应之间存在较高的相关性。以三甲胺为例，薄膜传感器的检测限低于2.6 mg/m3。全面的传感研究表明，该薄膜传感器对VBN的检测速度快，抗干扰能力强，可重用性好。该研究是第一份利用荧光膜传感器准确预测鱼新鲜度的TVB-N值的报告，显示出巨大的现实应用潜力。