金属有机多面体实现ppt级别爆炸物探测

随着恐怖袭击给公众带来的极大不安和恐慌,爆炸物检测成为各国高度重视的问题,而及时有效地将隐藏的爆炸物检测出来,已成为国际社会的一项紧迫任务。目前,芳香类爆炸物、硝铵类和硝酸酯类爆炸物是三类最常用的爆炸物。不同种类的爆炸物由于分子结构的不同而造成其物理和化学性质上的巨大差异。截止至今,对于芳香类爆炸物的探测其方法已有很多且比较成熟,而对于非芳香类爆炸物其识别难度依然很大。原因在于其还原电势很低,而分子的三维结构和识别位点的缺乏,使人们很难设计和合成合适的受体对其进行识别。同时,目前大部分的传感器只能针对性的识别一种或少数种类的爆炸物,其广谱响应特性的缺乏限制它们的进一步应用。因此开发一种新的传感器能灵敏高的且广谱响应的识别和区分目前主流的爆炸物,特别是非芳香爆炸物,具有重要的意义。

金属有机多面体是由金属离子和有机配体通过自组装形成的一类离散的具有内部空腔的笼形结构。通过选择不同的桥联配体和金属离子可以有效的对其内部空腔的形状,大小和窗口进行调控。特别地,由于不同种类的识别位点的合理组合而赋予的多重的弱相互作用,如氢键和电荷转移相互作用等,使分子笼可以选择性的识别不同种类,大小,甚至具有三维结构的分子。同时分子笼的外部容易被修饰,通过与具有不同特性的基底进行结合而大大拓展了其应用范围。由于金属有机多面体所具有的独特性质,使其成为理想的分子识别载体。

guangtao li

近期清华大学李广涛教授及其研究团队基于金属有机多面体在迹量爆炸物探测方面取得了重要进展。他们通过将金属有机多面体巧妙地耦合到表面等离子体基板上,实现了在液相对迹量爆炸物的高灵敏和选择性检测。一方面,由于分子笼内部存在的给电子基团氨基和具有不饱和电子的铜离子簇,其所赋予的电荷转移和布朗斯特酸-碱相互作用的双重叠加大大增强了主-客体之间的相互作用;另一方面,由于分子笼窗口的尺寸效应而赋予了传感器较好的选择性,尤其对于非芳香类爆炸物,其展示出了较好的识别和区分效果。而基于密度泛函的理论分析也进一步证实了在受限空间内多种弱的相互作用的叠加是整个体系识别的关键。最终该团队制备的传感器实现了对非芳香类爆炸物RDX和芳香类爆炸物TNT ppt级别的识别,而对爆炸物HMX的检测限也达到ppb级别。该方法为未来爆炸物的检测提供了新的思路和发展方向,具有重要的意义。相关论文在线发表在Adv. Funct. Mater.(DOI: 10.1002/adfm.201503071)。

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,和教育部重点实验室的资助。