科學前沿 華南理工解鎖致命氣體檢測新姿勢

致命的光氣

光氣也稱碳醯氯（COCl2），無色劇毒氣體，是有機合成、農藥、藥物、染料及其他化工製品的中間體。若不慎將光氣吸入，它會和肺部的蛋白相互作用，破壞血氣屏障，最終使患者窒息死亡。雖然具有致命性，但許多化工廠需要通過光氣來合成藥物、殺蟲劑等產品。因此，仍然考慮光氣在使用過程中發生意外泄露的風險。例如， 2016 年印度一家肥料和化學品公司就發生了光氣泄漏，導致 4 名工人死亡，9 人受到影響。

戰爭中的化學武器威脅

光氣也曾出現在戰爭舞台上。在第一次世界大戰中，光氣是導致大約 85% 參戰人員死亡的主要原因。這也是因為光氣在工業中的普遍使用，所以比起其他化學武器要更加容易獲得。因此，需要快速、靈敏、便攜性的光氣檢測器來應對嚴重的工業泄漏和恐怖襲擊。

AIE 試紙條

此前，科學家們根據熒光團的聚集熒光淬滅（ACQ）現象研製出了光氣檢測試紙條，雖然 ACQ 分子在溶液中的熒光強度很高，但是很難使光氣溶解在溶液中用來檢測。科學家們嘗試了把熒光團沉積到試紙上，這樣有助於攜帶型檢測，但是 ACQ 熒光分子在固體狀態時的熒光強度就降低了很多，從而直接影響了測試的靈敏度。 華南理工大學材料科學與工程學院吳水珠教授領導的科研小組利用聚集誘導發光（AIE）熒光團解決了這個問題。AIE 現象的原理與 ACQ 恰恰相反，分子聚集時熒光並不會消失，而是變得更亮。

首個基於AIE效應的光氣氣體檢測試紙原理圖

聚集誘導發光（AIE） 效應是唐本忠院士與香港科技大學的同事一起於 2001 年首先發現的。唐本忠院士解釋說，實際上基於AIE效應的試紙是很難研製的，因為具有這種特性的熒光團在固體狀態下已經處於發射態。唐院士評價吳教授團隊的工作說，他們設計的這種AIE熒光團巧妙地解決了這個問題，因為只需要和微量的光氣反應，熒光團的發射光顏色就會迅速改變。

正常狀態下這種探針發出藍色的熒光，但當存在光氣時，探針的鄰苯二胺基團與光氣反應生成環狀結構，探針熒光由藍色變為綠色。

試紙在不同濃度光氣存在時的顏色變化

將探針簡單地塗抹在濾紙上就可以製作出光氣試紙條，其檢測限為 1.87 ppm，要低於即刻對生命或健康造成威脅的濃度範圍。吳教授介紹了這種試紙的使用方法：「當建築物中可能存在光氣時，測試者只需將試紙置於空氣中 2 分鐘，然後用手持式紫外燈照射，看看熒光是否會從藍色變成綠色。這樣就可以確認是否發生了光氣泄露，而且把試紙可以裝在小盒子里，方便隨身攜帶。」

通訊作者簡介

吳水珠, 華南理工大學材料科學與工程學院教授、博士生導師。2010 年國家傑出青年基金項目資助獲得者、廣東省高等學校「珠江學者」特聘教授、教育部跨/新世紀優秀人才獲得者。主要從事功能高分子材料方面的研究，包括：合成了含生色團的聚合物，在這些聚合物和兩親性小分子體系中通過分子間的范德華力這種弱相互作用可形成微觀有序的介晶態結構及肉眼可見的宏觀造型，該研究結果可以為精確控制高分子材料的介晶態結構和功能效應提供新的思路；將生色團引入天然多糖大分子，通過有效調控難溶天然高分子在特定溶劑中的構象，顯著改善給體大分子與受體分子的相互作用，最終實現高效能量轉移和電子轉移，該研究結果可為含生色團高分子材料實現生物造影功能、催化功能等功能效應提供新的手段和依據。同時，吳水珠教授也注重基礎與應用研究的結合，在塑料改性、塑料加工助劑的合成、塗料等方面開展了大量研究工作；成功為企業開發了多種高性能塑料產品、抗靜電劑等塑料加工助劑、車用產品等；近年來在相關領域已經獲得四項發明專利授權。

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