功能有機(jī)材料：有害氣體檢測器

原作者：聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 段文增，本賬號獲授權(quán)代為發(fā)布。

朋友們，自然界中很多氣體對我們?nèi)祟愂怯泻Φ模绻I(yè)廢氣中的氯化氫、二氧化硫和甲醛氣體等，人們一旦吸入或者皮膚接觸它們都將產(chǎn)生嚴(yán)重的中毒反應(yīng)。而且這些無色的氣體一旦釋放，將迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致嚴(yán)重的中毒現(xiàn)象，因此發(fā)展一個(gè)便利的快速的檢測環(huán)境中毒害氣體的方法非常重要。迄今為止，有一些傳統(tǒng)的檢測檢測大氣中毒害氣體的方法，如色譜法、共振拉曼散射、基于金屬氧化物半導(dǎo)體的電化學(xué)方法等。這些方法一般都要用到價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜的大型儀器，而且使用這些儀器還存在穩(wěn)定性差和靈敏度低等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)一種簡單的、高靈敏度和重復(fù)性毒害氣體檢測技術(shù)是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。

設(shè)計(jì)制備一些功能有機(jī)材料中的熒光傳感分子用于做成試紙條來檢測毒害氣體將提供一種簡單的，靈敏的，易操作和可重復(fù)使用的方法。在傳感分子中，具有分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移的供體—受體化合物，因具有大的Stokes位移和易于調(diào)節(jié)發(fā)射的受到了廣泛的關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，我們結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室研究的[2.2]環(huán)仿分子（圖1）優(yōu)異的剛性結(jié)構(gòu)和富電子特征設(shè)計(jì)并制備了具有不同取代基的四種吡喃酮熒光探針，該熒光探針可用于檢測溶液pH值、溶液極性、液體黏度和毒害氣體等。

圖1. 功能熒光分子的結(jié)構(gòu)

首先，該類熒光分子可用于檢測四氫呋喃、二氧六環(huán)和丙酮中的痕量水，對痕量水測定不僅能定量還可以在紫外燈下通過肉眼觀察，其檢測靈敏度為1.39-8.75 ppm，是目前報(bào)道的靈敏度最高的熒光化合物。

圖2 對痕量水，pH值和毒害氣體檢測譜圖。

該類熒光分子做成試紙條后可以直接捕獲和檢測常見毒害氣體中的三氟乙酸、氯化氫、甲酸、二氧化硫和甲醛氣體。且檢測情況分為兩種，一種為開始無熒光，遇到毒害氣體會產(chǎn)生熒光，遇到堿性氣體會熒光消失，且該試紙可以循環(huán)使用10次，循環(huán)過程熒光強(qiáng)度幾乎沒有變化。另一種為開始是黃色熒光，遇到毒害氣體會變成紅色熒光，遇到堿性氣體會重新變成黃色熒光，而且該試紙可以循環(huán)使用10次，熒光強(qiáng)度和熒光顏色幾乎沒有變化。同時(shí)我們也對該類探針識別機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)式中的羰基易與活潑氫相互作用，從而產(chǎn)生不同的熒光變化。

圖3 R = H時(shí)，試紙條對毒害氣體的熒光變化

圖4 R = N(CH3)2時(shí)，試紙條對毒害氣體的熒光變化

該類試紙條不僅可以檢測毒害氣體，而且因其遇到氣體后在固態(tài)中不同的熒光特性可用于數(shù)據(jù)加密解密和防偽材料領(lǐng)域。如圖5，圖a中，在測試條上寫上“LCU”，開始肉眼檢測不到到“LCU”，而用三氟乙酸蒸汽熏蒸后日光下觀察紙出現(xiàn)黃色“LCU”，紫外線觀察到強(qiáng)黃色 “LCU”。這就相當(dāng)于數(shù)據(jù)堿性環(huán)境下可進(jìn)行加密和酸性條件下可進(jìn)行解密。圖b中，肉眼檢測“LCU”在日光下為淡黃色，紫外燈下為綠色，三氟乙酸熏蒸處理后，日光下變?yōu)槌壬?，紫外燈下為深紅色。用NH3蒸汽熏蒸后，“LCU”的顏色均可恢復(fù)。這可用于防偽材料。此外，該類試紙條均可循環(huán)使用10次，試紙上的“LCU”的存儲時(shí)間均可超過100天，氟乙酸熏蒸處理后?！癓CU”顯示時(shí)間為3天。因此該類化合物做成的試紙條在信息記錄領(lǐng)域具有加密和解密的和防偽方面的應(yīng)用。

圖5**.** 不同的傳感試紙條在日光下和365 nm紫外線照射下用三氟乙酸和氨氣蒸汽熏蒸后的照片。

綜上所述，我們小組的研究工作主要專注于圖1中[2.2]環(huán)仿類功能熒光材料的設(shè)計(jì)和合成，用于解決科研和實(shí)際問題。如設(shè)計(jì)的[2.2]環(huán)仿類羅丹明熒光分子可應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)汞離子熒光成像檢測且得到了對汞離子的識別機(jī)制；[2.2]環(huán)仿類BODIPY熒光分子具有高分辨和長時(shí)間活體近紅外二區(qū)成像能力，可用于小鼠淋巴結(jié)成像和熒光手術(shù)導(dǎo)航；面手性BF2熒光分子可應(yīng)用聚集放大CPL信號，有大Stokes位移，在液體和固體中均有中等強(qiáng)度熒光；軸手性熒光分子可進(jìn)行酸堿氣體和溶液粘度熒光檢測等，這些說明了面手性[2.2]環(huán)仿熒光探針這類功能有機(jī)材料可產(chǎn)生多重?zé)晒忭憫?yīng)性能，可提升手性熒光探針的應(yīng)用范圍和降低手性識別探針的使用成本，促進(jìn)該類熒光探針分子識別的商業(yè)使用，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。期待更多的同學(xué)加入我們，在功能有機(jī)分子領(lǐng)域進(jìn)行深入研究和探索，取得更加優(yōu)異的成果。

參考文獻(xiàn)：

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導(dǎo)師簡介

段文增，山東大學(xué)博士，美國弗吉尼亞大學(xué)訪問學(xué)者，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事有機(jī)合成化學(xué)，熒光功能有機(jī)材料的制備應(yīng)用等相關(guān)研究工作。承擔(dān)獲批國家、山東省、聊城市等各級自然科學(xué)基金項(xiàng)目6項(xiàng)；發(fā)表SCI論文40余篇；申請發(fā)明專利2項(xiàng)；招生專業(yè)：有機(jī)化學(xué)。