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荧光检测!王素华:向雾霾宣战

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本刊记者闫冬雪

近几年,由于环境受到巨大污染,雾霾已经成为国人心中驱赶不走的阴影.向雾霾宣战,人人有责,刻不容缓.

在合肥市西郊蜀山湖畔风景秀丽的“科学岛”上,中国科学院合肥物质科学研究院研究员、引进海外杰出人才“百人计划”科学家王素华正以他特有的方式,冲在这场战役的第一线.

构建神奇武器开关

——迅速锁定氮氧自由基

雾霾,人人皆知,但雾霾是怎么形成的?雾霾的成员都有哪些,造成雾霾危害的“罪魁祸首”都有哪些?

科学家们经过长期研究发现,空气中一些气体自由基小分子,如氮氧化物(NOx),臭氧(O3)是雾霾家族中的“危险分子”,它们能直接或间接影响着人类的呼吸系统、免疫系统、神经系统以及循环系统,造成心血管疾病,组织病变,死亡率升高等问题;而大气中的气态污染物也可以被氧化成细颗粒物,对PM2.5的形成具有促进作用.

摸清这些“危险分子”的含量分布及变化,是认识这些活性物质在大气中的迁移规律、演变过程和探索雾霾形成机制的基础.但这些气态自由基通过人的肉眼很难看得见也摸不着,且具有反应活性高和多组分并存等特点,高选择性和高灵敏的检测极为困难,是分析化学研究领域的重大挑战.而近年来,纳米材料的蓬勃发展,特别是对于具有特殊物理化学性质的新型纳米材料的研究,为气体污染物分子的高灵敏快速检测提供了新的方向.

能不能利用纳米材料设计一种高灵敏度的探测“开关”,让它在遇上检测目标的时候有选择性地迅速“打开门”,遇到其他成员的时候迅速“关上门”,与此同时,通过什么方法使检测变得可视且方便操作?利用手中的现代科技“武器”,王素华及其团队围绕气态污染物的可视化化学检测研究展开了一系列非常有趣,有价值,且细致巧妙的工作.

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以专门针对NO自由基的检测方法研究为例,他们通过量子点表面分子工程方法,在量子点表面用二硫代氨基甲酸铁进行功能化,发现两者间因为发生荧光共振能量转移(FRET)从而量子点荧光被关灭.NO能与络合物的铁中心发生快速、选择性的还原配位反应生成NO加合物,阻断了FRET通道,从而打开量子点的荧光,呈线性关系.事实证明,与大部分其他荧光方法以NO的氧化产物间接检测NO自由基不同,该方法能够高选择性地直接检测NO自由基,不受HOCl、H2O2和NO2等其他活性氧的干扰.据此可以很方便地建立气相NO含量的检测方法,其荧光强度与NO含量具有线性关系.

通过类似的方法和原理,王素华团队还分别建立了对NO2,SO2,H2O2和HOCl等高选择性的turn-on荧光和近红外荧光分析方法,其中基于量子点的荧光开关检测NO自由基和气态NO2的turn-on荧光探针为首次报道,也可用于细胞的相关分析检测和成像分析.这些高选择性高灵敏的检测分析方法将为探索气态自由基和活性氧在雾霾形成过程中的作用提供了分析化学基础.

有了前期扎实的研究基础,王素华团队的研究势如破竹,一节一节地顺利展开来:通过量子点表面分子工程,他们实现了基于表面配位取代诱导的量子点开关,实现了三硝基甲苯和无机盐细微粒的高选择性和高灵敏度可视化检测;巧妙利用功能型有机探针与荧光碳点的相容性,再通过SO2与前者的特异性加成反应来调控FRET通道,构筑了高灵敏高选择性的SO2比率荧光检测体系.这些研究结果对于解决荧光分析领域中单一荧光元素难以实现多功能、多目标等关键问题提供了思路,也为深入探索大气雾霾中有害细微粒的形成机制与作用奠定了分析化学的方法基础,对于治理大气污染具有重要的科学意义.

“亮剑”雾霾等污染——尽显纳米科技魅力

“我不满意,我不想等待,我也不再推诿,我要站出来做一点什么.我要做的事,就在此时,就在此刻,就在此地,就在此生.”——看过央视知名记者柴静空气污染深度调查《穹顶之下》的人一定会对片末的这句话记忆深刻.她向世人展现了一名母亲、一个普通人向雾霾宣战的决心.而作为一名有责任感的科学家,王素华更是以实际行动为保护环境、扫除雾霾尽着自己的一份心力.对他来说,他要做的事情,同样也在此时此刻.因为紧迫,因为责无旁贷,所以“不需扬鞭自奋蹄”.

与大多数科学家一样,王素华有着一段漫长的学习历程:1992年于山东师范大学化学系获学士学位;1995年于中国科学院化学研究所获硕士学位;2001年于香港科技大学获博士学位;2001年-2003年获日本学术振兴会(JSPS)资助,在日本HimejiInstituteofTechnology(现UniversityofHyogo)从事纳米技术的研究,2003年—2010年在新加坡国立大学从事敏感材料与检测分析的研究.2009年,王素华入选中科院“百人计划”,加入中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院智能机械研究所纳米分析与生物化学传感器实验室.

从一名普通学校的大专生到成为一名走出国门的优秀研究学者,王素华的成长之路是一条让人钦佩的“奋发之路”,而这种积极向上的姿态,一直保持到他工作.

自走上研究之路,王素华长期从事光谱分析化学和物理化学的基础研究,一直都在积极探寻纳米材料的各种应用,致力于探索高灵敏高选择性的可视化荧光分析体系,在荧光光谱分析领域有了一定的积累.特别是近几年来开展了基于半导体量子点以及有机分子配合物的荧光光谱分析检测新原理新方法的研究,并取得了一些具有创新性的科研成果.包括发展了表面分子结构诱导的荧光共振能量转移的原理,提出了分子结构响应的荧光开关新概念,实现了高选择性敏感跟踪检测特定分析目标的原理与分析方法.通过进一步对其表面分子结构的专一化设计与功能修饰,分别建立了基于金属配合物或有机染料以及量子点纳米材料的荧光分析体系,已经在相关的研究领域取得一些工作积累和成绩.

荧光检测设备:检测荧光增白剂 121220

因为意识到环境恶化的严峻性,近年来,王素华和他的研究同伴开始拿起自己手中掌握的纳米“武器”积极致力于纳米材料在环境保护中的应用研究.近5年,王素华先后承担了两项与大气污染物检测相关的国家自然科学基金,分别是“结构响应量子点荧光开关对NO自由基的直接选择性高灵敏检测(2010)”研究和“针对气相氮氧自由基和臭氧及其相互作用的荧光分析方法研究(2014)”,成果显著.2012年初,他与新加坡国立大学化学系的黄德健副教授合作,获国家自然科学基金委的“海外与港澳学者合作研究项目”资助,开展“大气污染物氮氧化物与二氧化硫的可视化检测方法研究”.这些项目的研究为王素华“亮剑”雾霾打开了“方便之门”.伴随着项目的深入开展,建立了几种针对不同气态污染物的检测新方法和探针体系,这些探针可以不依托于大型仪器,现场快速地检测相关的气态污染物,对环境保护与环境检测领域有着重要的实用价值.

“同呼吸共命运”,在这场人类与雾霾的战争中,没有人可以幸运地排除在外,唯有勇敢地承担.对冲在这场战役第一线的王素华团队来说,这份责任虽沉重但责无旁贷,拿起手中的科技武器,他坚定地继续朝前走.他相信,总能拨开雾霾,见晴天.

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