基于特异性化学反应构建二氧化碳高选择性荧光化学传感器

Quantitative detection of carbon dioxide has been a current research focus due to its importance in public health and environmental areas. However, most of the reported sensors show poor anti-interference towards other acid gases such as sulfur dioxide, which rely on the protonation of the fluorophores by carbonic acid formed by the interaction of carbon dioxide with water. This research project is proposed to develop carbon dioxide selective fluorescent probes based on the specific reaction of carbon dioxide and secondary amines to produce carbamic acid. Generally speaking, efforts are devoted to designing and synthesizing water soluble linear polymers bearing pendant secondary amine groups and grafted polymer brushes on OH-terminated quartz plates. The chemical kinetics of the reaction of carbon dioxide and secondary amines affected by their chemical composition, molecular weight, grafting density will be investigated. The mechanism on host-guest interaction of polymer brushes and carbon dioxide will be studied and revealed. These studies are important to the fabrication of novel carbon dioxide-chemosensing systems which are tolerant to interferents, especially other acid gases. In addition, it will significantly contribute to the design and production of new types of smart surface and interface materials.

在公共场所中进行二氧化碳（CO2）的准确定量分析的工作非常重要，是事关公共健康的大事。但目前的研究多利用CO2的弱酸性来设计气体传感器，对空气中微量的其它酸性气体（如二氧化硫等）的抗干扰能力较差。本申请拟利用仲胺基与CO2的特异性化学反应，通过分子设计合成一系列侧链含有仲胺基官能团的线型聚合物，进一步以石英片为基底构建化学结构类似的聚合物刷。重点研究气固界面处聚合物刷的参数（化学结构、组成、分子量、接枝密度等）对其侧链上的仲胺基和CO2的化学反应动力学的影响规律，通过对比研究，阐释气固界面处的主客体相互作用的模型和机制。在此基础上，优化功能聚合物的组成和结构，结合光学探针技术构建溶液型和薄膜型荧光化学探针，进行CO2的高选择性识别。这些问题的解决，不仅可以实现CO2的准确定量分析，还通过揭示气固界面处主客体相互作用的机理，为新结构和新用途的智能表界面材料的开发奠定基础。

空气中二氧化碳含量超标不仅会危害人们的身体健康，严重时甚至会导致人员窒息，所以在工厂车间、电影院等人口密集而又空气流通不畅的公共场所中进行CO2的定量分析工作非常重要。但目前的研究多利用CO2的弱酸性来设计气体传感器，对空气中微量的其它酸性气体（如二氧化硫等）的抗干扰能力较差。针对这一难题，本项目利用二氧化碳和胺基官能团的特异性化学反应，通过精心的分子设计，分别利用单体的原子转移自由基聚合（ATRP）和聚合物的后修饰反应两种材料合成技术，制备了一系列结构明确的含有胺基官能团的荧光聚合物，并实现其化学结构和组成等参数的有效调控；系统研究了这些聚合物的结构和组成等参数对其分子链上胺基官能团和CO2化学反应动力学的影响规律，并通过对比研究，提出了这些功能高分子对CO2刺激的响应性机理和模型；在此基础上，进一步优化了聚合物的组成，并结合荧光探针技术，成功构建了溶液型CO2荧光化学传感器，成功实现了CO2区别于其他弱酸性气体的高选择性识别。进一步地，为了开发适于多场合使用的CO2检测探针，我们又利用上述CO2响应性荧光聚合物来构建新型纸基荧光高分子水凝胶传感薄膜材料，协同利用纸的毛细作用和水凝胶的高亲水特性实现了CO2在传感薄膜内的超快速扩散，成功构建可实现CO2超快速、高选择性检测的薄膜型荧光化学传感器。为了进一步验证上述构建“超快速响应性纸基荧光高分子水凝胶传感薄膜”的新思路是否具有普适性，我们又构建了一系列具有不同化学组成的新型纸基荧光高分子水凝胶薄膜，成功实现了TNT（三硝基甲苯）、CS2、Hg2+等重要环境污染物的超快速检测，成功证明这一研究新思路的普适性。通过该项目顺利执行取得的以上研究成果，不仅成功实现了CO2区别于其他弱酸性气体的高选择性识别，还提出了一种构建“超快速响应性纸基荧光高分子水凝胶传感薄膜”的新思路，有望对其他重要环境和食品污染物高效检测传感器的构建提供重要的借鉴价值。