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安徽工业大学张奎团队Analytical Chemistry | 荧光可视化快速检测有机磷神经毒剂模拟剂

日期: 来源:ACS美国化学会收集编辑:ACS Publications

英文原题:Visual and rapid detection of nerve agent mimics in gas and solution phase by a simple fluorescent probe

通讯作者:韩新亚、张奎(安徽工业大学)

作者:Qian Chen, Jiaxu Liu, Shengjun Liu, Jian Zhang, Lifang He, Renyong Liu, Hui Jiang, Xinya Han,* Kui Zhang*


背景介绍


有机磷神经毒剂是一类易挥发,毒性大,易于传播扩散的化学武器。虽然该类化学武器早已被国际公约所禁止,但由于其毒性强,易于获得与制取,便于隐藏携带,常常作为恐怖分子制造恐怖袭击,造成生化恐慌的首选。有机磷神经毒剂主要代表性毒剂有塔崩,沙林和索曼。有机磷神经毒剂与人体中的乙酰胆碱酶发生特异性结合,并抑制其活性,使得神经递质乙酰胆碱在人体中逐渐富集,引起肌肉麻痹,致使人体缺氧窒息死亡。因此,在应对神经毒剂的恐怖袭击时,如何快速准确地进行现场可视化快速检测,对预防恐怖袭击,疏散人群,降低人员伤亡和维护公共安全具有重要的意义。


近年来,用于神经毒剂的检测依然依赖于现代大型实验分析仪器,主要有电化学分析法,质谱分析法,以及生物传感等检测手段。然而,这些现代化的大型设备需要保持清洁的实验环境和昂贵的仪器维护。同时,对于检测人员的操作与相关配套设备均有较高的要求。大型检测仪器设备虽然检测准确,但是实验仪器体积庞大,大量的资金投入,繁复的样品预处理和无法实时检测的缺点阻碍了其在恶劣环境下的现场快速检测。除此之外,荧光试纸检测法具有操作简便,快速便捷的优点可应用于可视化检测。然而,普通的试纸检测存在背景光干扰,受环境因素影响大,响应时间长和无法定量检测等缺点。同时,比色法的原理是在特定波长下,吸收光强度的变化进而引起溶液颜色的变化。当被检测物质极为少量时,试纸的颜色变化受到操作人员的主观观测影响较大,即裸眼分辨颜色的变化存在较大误差。因此,如何开发灵敏度高,响应迅速,可靠便捷的可视化检测体系,成为亟待解决的难题。


图文解读


安徽工业大学张奎教授团队将邻苯二胺传感单元与荧光团丹酰氯结合制备合成荧光探针1,如图1所示。该荧光探针可在无其他辅助试剂的情况下,选择性检测溶液和气相中的神经毒剂模拟剂。在荧光滴定实验中,探针的激发波长为340 nm,发射峰为515 nm,检测浓度范围0-90 μM,检测限为0.082 μM,荧光强度提高了约18倍,并且不受其他神经毒剂模拟剂类似物的干扰。此外,在紫外光(365 nm)下,溶液的颜色由无色变为绿色。该探针浸润于试纸形成测试条,还具有对气相神经毒剂模拟剂的快速响应。这些结果表明该测试体系是一种可视化检测神经毒剂模拟剂的有效方法。该成果发表在Analytical Chemistry期刊上。


图1. 可视化检测神经毒剂模拟剂示意图。


图2. (a)有机磷神经毒剂及其模拟剂的化学结构;(b)探针1与DCP的检测原理示意图。


图3. (a)探针1对DCP浓度范围在0-90 μM的荧光响应;(b)荧光强度与DCP浓度的线性关系。


在DMF溶液中进行了荧光滴定实验,随着DCP浓度的不断增大,荧光强度也在不断地增强,这表明DCP和识别位点氨基发生了亲核反应。当加入90 μM的DCP后,荧光强度增大了18倍,见图 3。在0~90 μM的范围内,荧光强度与DCP浓度有良好的线性关系(R2 = 0.9995),根据公式LOD = 3σ/k计算出检测限为0.082 μM。


图4. (a)探针1与干扰物的荧光光谱响应,例如,TEP,乙酸,TBUP, DCNP, DCMP, DCP;(b)探针1对DCP和其他干扰物的荧光响应柱状图。


为了筛选探针1对DCP的选择性,使用磷酸三乙酯(TEP)、乙酸(HAc)、三丁基磷(TBUP)、氰基磷酸二乙酯(DCNP)、氰甲基磷酸二乙酯(DCMP)进行选择性测试。如图4所示,TEP、HAc、TBUP的荧光增强很微弱,DCMP与DCNP会使探针的荧光稍有不同程度的增强。


图5.(a)反应时间;(b)探针1检测DCP溶液浓度为0 μM、30 μM、50 μM、70 μM和90 μM的颜色变化;(c)探针1暴露于气相DCP时的颜色变化。


探针1对DCP的响应时间,如图 5(a)所示,当10 μM的探针溶液加入90 μM的DCP后,荧光强度在30 s内达到最大值,在2 min内达到稳定值。并且在5 min内荧光强度没有明显的衰减,这表明探针在2 min时基本与DCP完全反应。如图5(b)所示,探针1(10 μM)的溶液中分别加入DCP浓度变化为10 μM、30 μM、50 μM、70 μM、90 μM的荧光变化。在检测气相DCP时,探针的PET过程被阻断,可以清楚的看到颜色变化,见图5(c)。


图6. (a)探针1;(b)加入DCP后探针1的¹H NMR谱。


我们测试了探针1和加入DCP后生成磷酸酯产物的核磁共振氢谱,如图6所示。对于探针1的-NH2-,化学位移位于4.8 ppm。加入DCP后,氨基与DCP反应后生成磷酸酯,化学位移会向低场移动。


探针1与神经毒剂模拟剂通过亲核反应形成磷酸酯,抑制光电诱导电子转移(PET)过程,导致荧光强度的明显变化。同时,通过核磁共振和高分辨质谱分析,对探针1与反应中间体进行了表征。在这项研究中,我们还探索了将探针1浸润于试纸上制成简易的测试条,可实现对气相神经毒剂模拟剂(DCP)的快速高灵敏检测。我们希望该荧光检测体系为实现快速便捷检测气相神经毒剂提供新的设计策略和检测方法。


通讯作者信息


张奎,安徽工业大学研究生院副院长、学科建设办公室副主任。


皖江学者特聘教授,博士生导师。入选 “香江学者计划”(2014年)、安徽省学术和技术带头人。主要从事化学测量学、环境分析化学、光电检测设备研发等相关的创新性应用基础研究。在J. Am. Chem. Soc., Anal. Chem.等期刊发表论文100多篇,他引4400多次,主持国家自然科学基金2项,安徽省杰出青年科学基金等省部级项目8项。研究成果“表界面重构的纳米光学探针可视化痕量分析方法”获2020年度安徽省自然科学奖一等奖(第一完成人)。



第一作者信息


陈倩,博士,讲师,硕士生导师,由博士人才引进项目进入安徽工业大学化学与化工学院工作。主要从事有机小分子荧光探针、发光材料、有机光电材料与器件应用等领域研究。


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Anal. Chem. 2023, ASAP

Publication Date: February 20, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04891

Copyright © 2023 American Chemical Society

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