精准化学物质识别是众多领域至关重要的技术需求(如公共安全、环境监测、食品安全等)，尤其是对结构、性质相似的多个目标物的区分识别，关系到及时预警和采取何种恰当的处置措施。中国科学院新疆理化技术研究所痕量化学物质感知团队紧密围绕国家公共安全战略需求，长期致力于该领域关键物质的探针分子设计调控、传感材料开发、传感识别原理构建及现场可视化分析装备研发等的体系化研究。迄今为止，该团队已提出了系列原始创新的传感分析体系，实现了军用爆炸物、易制爆危化品、毒品及神经毒剂等的高灵敏、高特异、可视化检测/监测(Adv. Mater. 2023, 35, 2300526、Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202400453、JACS Au 2024, 4, 545、Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203358、Adv. Sci. 2024, 11, 2309182、Aggregate 2023, 4, e315、Aggregate 2023, 4, e260等)。
针对危险化学品乙二胺和水合肼具有极其相近的结构和性质，难以精准区分识别这一领域难题，团队从二者微弱的亲核性差异入手，提出了以不饱和双键作为识别位点，构筑了具有差异化亲电性双重识别位点的荧光探针。具体来说，乙二胺和肼分别与探针中位点1和2通过亲核加成反应生成不同产物结构，并分别输出具有显著差异的光学信号(比率荧光、荧光猝灭)，实现了二者的区分检测。结合高分辨质谱和密度泛函理论分析反应过程，验证了上述检测机理。在此基础上，通过将探针负载在基底材料上制备功能化器件，结合深度学习图像处理算法，实现了乙二胺在亚ppm级浓度的准确识别，突破了可视化光学传感在痕量物质光学信号判别方面的固有限制，为光学传感领域痕量目标物(尤其是结构类似的多目标物)精准判别提供了解决思路。与已报道的检测方案相比，该探针对乙二胺具有优异的传感性能，反应速度快(<0.2 s)，灵敏度高(液体为检测限为8.6 nM，气体检测限为1.61 ppb)，同时，可以实现乙二胺与12种胺类化合物和30种其他干扰物(结构类似物、水溶性无机盐、常见药用辅料等)的有效区分。
本工作不仅首次实现了结构和性质高度类似的乙二胺和肼的同步光学识别，且该探针优异的传感响应性能刷新了乙二胺光学探针的检测灵敏度和特异性，为多目标可视化探针的设计提供了研究范式。由于本研究涉及多个领域，包括小分子探针、光学传感方法、便携器件、固液气检测、深度学习算法等，有望引起化学、物理学、传感分析、工程学以及人工智能领域研究人员的广泛关注。更重要的是，这项工作中以光学探针为核心开发的便携器件展示出在多个领域的广泛应用潜力，如危化品储运环节的预警和及时处置、公共安全事件的有效防范、环境敏感物质原位检测等。
相关研究成果以“Electrophilicity Modulation for Sub-ppm Visualization and Discrimination of EDA”为题发表于国际知名期刊Advanced Science，石河子大学联合培养硕士研究生赵浩为第一作者，石河子大学唐辉教授、中国科学院新疆理化所刘媛研究员和窦新存研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、新疆自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究计划、新疆科技厅天山创新团队等项目的资助。
图1 图文摘要：以探针双识别位点的亲电性为度量标准，在广泛有机胺类物质中可视化识别出具有细微亲核差异的乙二胺和肼
图2 (a)双亲电位点探针设计及对乙二胺和肼的同步光学响应；(b)基于深度学习算法的痕量乙二胺和肼的有效区分识别；(c)便携式传感器件用于多场景下固液气样品中乙二胺的准确识别
