Advanced Science:基于精确调控荧光团结合位点的超灵敏、特异性和快速荧光开启的亚硝酸盐传感策略

“量变和质变是相互依存、相互贯通的,量变引起质变,在新质的基础上,事物又开始新的量变。如此交替循环,形成事物质量互变的规律性。质量互变规律揭示了事物发展的形式和状态,体现了事物发展的渐进性和飞跃性的统一。”因此,通过荧光信号的从无到有的质变,从有到强的量变过程,开发出具有完全可定性和半定量荧光检测的探针分子设计策略和传感平台,能够实现特定目标物的精准识别检测。然而,如何针对挥发性极低甚至不挥发的痕量危爆品溶液或固体微粒的定性和半定量检测是一项极具挑战性的研究课题,而这也限制了特异性荧光传感材料的发展和实际应用。针对痕量危爆品荧光传感器定性和半定量检测的应用需求,是否可以开发具有特定识别位点、低背景噪音、快速响应的探针分子和传感器,构筑便携式荧光传感平台,实现对危爆品的灵敏、特异、快速定性和半定量荧光检测与识别是解决当今痕量检测领域面临难题的关键。

针对此问题,中国科学院新疆理化技术研究所爆炸物安全科学自治区重点实验室窦新存课题组尝试了通过精确调控荧光团结合位点设计探针分子,并利用荧光传感器和便携式传感平台,实现了对亚硝酸盐溶液和固体微粒的灵敏、特异、快速定性和半定量荧光检测。提出了一种全新的荧光探针分子设计策略——探针分子荧光团结合位点调控策略,主要基于三个方面的有益效果:1)具有特异识别位点、低背景噪声以及特异的抗干扰物影响的能力;2)探针分子光化学/物理性质的显著变化或特殊的响应模式使其对目标分析物敏感、响应范围大、快速检测;3)荧光检测反应产物分子结构和光学信号的稳定性。研究利用荧光团结合位点调控策略,设计调控苯并噻唑荧光团在苯胺上的结合位点,制备并分析了para-BT、meso-BT和ortho-BT探针分子的光物理化学性质和传感性能,其中ortho-BT探针分子展现出优异的荧光检测功能。同时,基于ortho-BT探针分子构筑了纸基和水凝胶传感器,利用便携式荧光传感平台成功实现了对亚硝酸盐溶液和固体微粒的超灵敏、特异性、快速的荧光点亮检测,检测限低至2.2 fg、检测时间小于5 s,在超过40种强氧化还原活性物质、有色物质、硝基化合物和金属离子存在的情况下也具有良好的抗干扰性。同时,利用ortho-BT探针分子构筑的传感器,应用于便携式荧光传感平台,成功的实现了对亚硝酸盐快速定性和半定量的能力。该项研究成果从精确的荧光团结合位点调控的设计策略出发,提供了一种适用于危爆品检测、环境污染物监测、食品安全等领域液体和微粒分析物的高灵敏、快速、现场痕量定性和半定量分析的新方法,并在痕量目标物现场快速定性半定量识别等相关领域具有广阔的应用前景。相关成果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202002991)上。