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【分析】乙醇/水二元混合物组成测定的薄膜基荧光气相传感器


近年来,面对高灵敏探测技术的重大需求,气相传感器的创制、研发引起了国际社会的重视,特别是在美国政府提出的“电子狗鼻计划”、“真鼻计划”、“Cell-All”和“原子到产品”计划等项目的推动下,相关研究取得了突飞猛进的进展。薄膜基荧光传感器是继离子迁移谱之后,国际公认的有望替代嗅爆犬、缉毒犬和疾病诊断犬的新一代微痕量气相探测技术。而用于气相探测的薄膜基荧光传感器必须建立在高性能的荧光敏感薄膜材料之上。


在过去的二十年里,陕西师范大学房喻教授研究组一直致力于荧光敏感薄膜材料的创制、传感薄膜的器件化以及薄膜器件的阵列化研究工作,发展了一系列荧光敏感薄膜材料,成功研制了爆炸物、毒品等有害物质高性能荧光传感器和探测设备,自主搭建了材料性能评价与原型设备研制共享平台。相关产品在十九大、G20峰会、博鳌论坛、港珠澳大桥开通典礼、外国元首接待,以及中央军委、乌干达总统府、深圳地铁等重大活动或重要场所安全检查中发挥了重要作用。


近两年来,房喻教授小组创造性地将非平面结构引入到荧光分子设计中,制备了一系列富含“分子通道”的荧光薄膜,利用内聚能差异、薄膜通道的体积选择、极性差异,以及传感单元荧光量子产率的溶剂依赖特性等,在自行研发搭建的传感平台上实现了对多类常规乃至有毒有害气体的高效检测(Chem. Sci., 2018, 9, 1892-1901; Nat. Commun., 2018, 9, 1695; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 35647-35655)。


众所周知,乙醇/水二元混合物中乙醇含量的测定对于发酵工业、生化研究与疾病诊断等方面有着极其重要的意义。红外法、质谱法以及液质联用法是比较经典的检测方法,但是这些方法是不可逆的,样品难以回收,且设备较为昂贵,操作不方便,无法进行实时实地的检测。荧光传感器由于其灵敏度高、选择性强、成本低、易于制成便携式设备等优点而备受青睐。然而,目前尚未有能够通过气相取样法来全范围地测定水中乙醇含量的荧光传感方法问世。针对这一挑战,在之前工作的基础上,房喻教授课题组设计合成了一种碳硼烷衍生物,基于该化合物的荧光薄膜实现了对乙醇/水二元混合物中乙醇含量的全范围测定。该方法属于气相检测,采样简便,避免了样品污染,回复性好,可实现稳定重复检测,且响应速度小于2秒。利用该薄膜所制备的概念性荧光传感器可以成功地用于测定市售不同酒类中的乙醇含量,除此之外,以硅胶板为基质的荧光薄膜可以实现酒中微量甲醇的灵敏检测,有望应用于食品监管领域。

图1. (a)A typical group of responses of the film-based device to the vapors in the headspace of water-ethanol mixtures of different compositions (water content varies from 0% to 100%, v/v, 293 K). Inset: the fluorescence intensity as a function of volume fraction of water in the binary solvent. Each dada point was the mean of 30 replicates; (b) Real response traces of the fluorescent film-based device to liquor with different methanol content.


图2. Film-based device and the relevant sensor. (a) Schematic representation of the home-made conceptual sensor; (b) A picture of the conceptual sensor and the film device as developed.


这一成果发表在Analytical Chemistry 上,文章的第一作者为陕西师范大学硕士研究生黄蓉蓉,通讯作者为陕西师范大学房喻教授与彭浩南副教授。


该论文作者为:Rongrong Huang, Ke Liu, Huijing Liu, Gang Wang, Taihong Liu, Rong Miao, Haonan Peng, Yu Fang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

Film-Based Fluorescent Sensor for Monitoring Ethanol–Water-Mixture Composition via Vapor Sampling

Anal. Chem., 2018, 90, 14088-14093, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b04897


房喻教授简介


房喻,陕西省西安市人,英国Lancaster大学高分子物理化学专业哲学博士。中国化学会常务理事,陕西省化学会名誉理事长,中国化学会国际事务委员会、应用化学专业委员会副主任,Langmuir顾问编委,Carbohydrate Polymers、《物理化学学报》、《影像科学与光化学》等杂志编委。兼任国家教材委员会委员(2016-),教育部高等学校化学类专业教学指导委员会副主任(2013-2017),国家高中化学课程标准修订组组长,西北大学合成与天然分子化学、陕西师范大学应用表面与胶体化学两个教育部重点实验室学术委员会副主任,西北工业大学高分子物理与化学和宝鸡文理学院植物化学两个陕西省重点实验室学术委员会主任,中国科学院胶体、界面与化学热力学重点实验室学术委员会委员,江南石墨烯研究院学委会委员。先后获得全国优秀教师、五一劳动奖章、全国先进工作者和国家级教学名师等称号。


房喻教授长期从事荧光敏感薄膜和分子凝胶研究工作,先后主持863目标导向、重大科学仪器专项、国防973课题、重点国际合作等项目30余项,在Nat. Commun.、JACS、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev. 等刊物发表论文220余篇,获授权发明专利28项。作为主持人先后获得陕西省科技成果一等奖3项,二等奖1项。学生1人获全国百篇优博论文奖,4人获陕西省优博论文奖,1人入选中组部青年千人计划,1人入选国家博新计划。主持研制的隐藏爆炸物荧光气相探测仪和毒品荧光探测仪实现了工业生产。


https://www.x-mol.com/university/faculty/12388



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