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基于聚集诱导发射的胺蒸气荧光检测

期刊:ACS SensorsDOI:10.1021/acssensors.5b00182

该文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


研究作者及机构
该研究由Meng Gao、Shiwu Li、Yuhan Lin、Yi Geng、Xia Ling、Luochao Wang、Anjun Qin和Ben Zhong Tang共同完成。主要研究机构包括华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室、广东省创新研究团队,以及香港科技大学化学系、分子功能材料研究所、分子神经科学国家重点实验室等。该研究发表于期刊*ACS Sensors*,并于2015年12月正式发表。

学术背景
胺类化合物在农业、制药和食品工业中具有重要作用,但挥发性胺蒸气对人类健康构成严重威胁。传统的胺蒸气检测方法如气相色谱-质谱联用(GC-MS)、高效液相色谱(HPLC)等通常需要大型仪器和复杂操作,限制了其在资源有限领域的应用。荧光传感器因其高灵敏度、低成本和易操作性成为研究热点,但大多数荧光传感器存在聚集诱导淬灭(Aggregation-Caused Quenching, ACQ)效应,需要在溶液或基质材料中分散使用,增加了制备复杂性和降低了便携性。因此,开发基于聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)特性的便携式荧光传感器具有重要意义。

本研究旨在开发一种基于AIE特性的荧光传感器HPQ-AC,用于胺蒸气的“点亮”检测。HPQ-AC传感器通过胺解反应生成具有AIE特性的荧光产物HPQ,实现了对胺蒸气的高灵敏、高选择性检测,并具有便携性和易制备的特点。

研究流程
1. HPQ-AC的合成与表征
- 合成路线:首先通过2-氨基苯甲酰胺和水杨醛在碘的氧化作用下反应生成HPQ,产率为82%。随后,HPQ与甲醇钠和乙酸酐反应生成HPQ-AC,产率为95%。
- 表征方法:使用核磁共振(NMR)和质谱(MS)对HPQ和HPQ-AC的结构进行确认。

  1. HPQ的AIE特性研究

    • 实验设计:在THF/水混合溶液中研究HPQ的紫外(UV)和光致发光(PL)光谱,观察不同水含量对荧光强度的影响。
    • 结果:HPQ在THF中荧光量子产率仅为0.3%,而在水/THF(99:1, v/v)中增加到32.4%,在固态下进一步增加到59.4%。这表明HPQ具有显著的AIE特性,主要归因于激发态分子内质子转移(ESIPT)和分子内运动受限(RIM)机制的协同作用。
  2. HPQ-AC作为荧光传感器的性能研究

    • 实验设计:将HPQ-AC沉积在滤纸上,暴露于不同浓度的氨蒸气中,观察荧光强度的变化。
    • 结果:HPQ-AC在滤纸上几乎不发光,但在暴露于氨蒸气后荧光强度迅速增加。当氨蒸气浓度超过20 ppm时,肉眼即可观察到明显的荧光。检测限为8.4 ppm。
  3. HPQ-AC对不同胺蒸气的选择性研究

    • 实验设计:测试HPQ-AC对氨、肼、烷基胺(如乙胺、二乙胺、三甲胺等)和芳香胺(如苯胺、2-甲基苯胺)的响应。
    • 结果:HPQ-AC对氨、肼和烷基胺表现出高效的点亮响应,但对芳香胺的响应较弱。对生物胺(如腐胺、尸胺、组胺)和有机溶剂蒸气(如己烷、二氯甲烷、四氢呋喃等)几乎无响应,表明HPQ-AC对胺蒸气具有高选择性。
  4. HPQ-AC在食品腐败检测中的应用

    • 实验设计:将HPQ-AC传感器用于检测秋刀鱼在不同储存条件下产生的胺蒸气。
    • 结果:在室温下储存2天的秋刀鱼产生大量胺蒸气,HPQ-AC传感器显示出强荧光,表明鱼已腐败;而在-20°C下储存的鱼则无显著荧光。
  5. HPQ-AC作为荧光隐形墨水的应用

    • 实验设计:用HPQ-AC溶液在滤纸上书写“AIE”字样,暴露于氨蒸气后观察荧光。
    • 结果:在氨蒸气和紫外光的作用下,“AIE”字样显示出明亮的荧光,而未经氨蒸气处理的字样则不可见。

主要结果
1. HPQ具有显著的AIE特性,荧光量子产率在固态下高达59.4%。
2. HPQ-AC传感器对氨蒸气的检测限为8.4 ppm,具有高灵敏度和高选择性。
3. HPQ-AC传感器可用于食品腐败检测,通过检测胺蒸气判断食品是否变质。
4. HPQ-AC可作为荧光隐形墨水,应用于秘密通信和防伪标签。

结论
本研究开发了一种基于AIE特性的荧光传感器HPQ-AC,通过胺解反应实现了对胺蒸气的高灵敏、高选择性检测。HPQ-AC传感器具有便携性、易制备性和多功能性,可广泛应用于食品安全监测、环境监测和防伪技术等领域。该研究为开发新型荧光传感器提供了新思路,具有重要的科学价值和实际应用意义。

研究亮点
1. 首次将AIE特性应用于胺蒸气检测,解决了传统荧光传感器的ACQ效应问题。
2. HPQ-AC传感器具有高灵敏度、高选择性和便携性,可应用于多种实际场景。
3. 提出了HPQ-AC作为荧光隐形墨水的新应用,拓展了其应用范围。

其他有价值的内容
该研究还通过理论计算和实验验证,深入探讨了HPQ的AIE机制,为理解AIE材料的发光机理提供了重要参考。


以上是该研究的详细学术报告。

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