Advanced Functional Materials:鱼和熊掌亦可兼得:分层亲核性纳米纤维膜同时实现熏蒸剂的快速解毒与颜色监测

烷基化类熏蒸剂作为一类剧毒且致癌的气态农药正被广泛应用于农业生产、粮食存储以及白蚁防治等诸多方面。对于有毒物质的吸收、解毒和检测是提高专业和个人防护的主要措施。然而对于熏蒸剂而言,无论是对其吸附解毒材料还是快速检测方法都十分有限。近年来,纳米纤维膜因其独特的结构特性,如超高比表面积、高孔隙率和柔软轻便使其成为传感器和防护装备的重要材料之一。然而对于解毒材料而言,材料本身除须具有快速、突出的解毒效果,任何警示其解毒功能饱和或障碍的信号对于提供完善的防护功能也十分重要。

近日,美国加州大学戴维斯分校孙刚课题组博士研究生唐佩馨利用烷基化熏蒸剂在人体内的毒理学反应设计并开发了一种分层亲核性纳米纤维膜,实现了对剧毒烷基化熏蒸剂快速解毒和颜色监测的双重功能。该材料可以用于职业防护面具与口罩中提供防毒, 解毒,及警示供能。

受烷基化熏蒸剂在人体内可快速与亲核性物质如鸟嘌呤发生亲核取代反应的启发,具有强亲核性的聚乙烯吡啶(P4VP)被选作提供主要解毒功能的成分与聚丙烯腈(PAN)混合,通过乳液静电纺得到一种具有分层结构的纳米纤维膜。同时,在静电纺过程中加入4-(4-硝基苄基)吡啶(NBP),作为颜色探针成为实现高效解毒和颜色检测双功能的关键。该研究中发现,P4VP和PAN在DMF溶剂中形成乳浊液的现象,使得P4VP在静电纺过程中可以在PAN的支持下形成纳米纤维并包覆在PAN纤维的表面。如此,P4VP不仅在材料中获得了超高的比表面积,而且使得几乎全部的P4VP组分直接暴露给烷基化熏蒸剂,从而达到快速、超大容量的解毒效果。更重要的是,依赖于吡啶环的Bronsted碱性,材料解毒后生成的中间体会进一步发生失氢反应而引起电子重排,从而使得材料产生肉眼可见的黄色。当材料中混合有NBP时,这种颜色变化会被极大程度的放大,因为NBP可以更自发地进行夺氢显色反应。同时,在可见光范围内,与烷基化熏蒸剂反应后的P4VP相比,NBP有更明显的吸收。该研究中开发的集高效解毒与颜色传感一体的纳米纤维膜,对甲基碘可实现超过250次的起始浓度为3467 ppm的解毒功能(每次解毒效率均高于90%)或具有大于676 mg/g的解毒容量。更重要的是,随着解毒过程的积累,纤维膜可呈现出从白色到棕黄色的颜色变化以警示解毒过程的发生,并且根据颜色变化程度提示更换纤维膜以保证防护效果。

该材料的开发不仅填补了针对烷基化熏蒸剂的解毒材料的稀缺,这项工作也期望将在化学或生物保护材料中引入颜色信号的概念用于下一代职业防护装备的设计与开发。    

相关工作得到了美国加州环保局农药监管部和美国加州大学戴维斯分校Jastro Shields研究生奖学金的资助。相关论文以“Hierarchical Nucleophilic Nanofibrous Membranes for Fast, Durable, and Bare‐Eye Visible Detoxification of Carcinogenic Alkylating Toxicants”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201905990)上。