吉林大学张明团队Nat. Commun.：比率型荧光探针实现冰毒的精准识别和可视化检测

根据中国禁毒办发布的毒情形势报告，去年全国共破获毒品犯罪案件4.2万起，缴获毒品25.9吨，较2022年分别增长12.6%和18%。与此同时，不法分子对现代技术手段的应用愈发娴熟，走私渠道日益多样，毒品伪装能力越来越强，这些因素显著增加了发现和打击毒品犯罪的难度。尤其是在流通环节中，毒品检测的时间窗口极短，检测手段的精准度和便携性成为亟待解决的关键问题。

针对这一问题，受到嗅毒犬对毒品气味识别的启发，吉林大学的张明（点击查看介绍）团队设计开发了一种非接触式荧光探针（PyDPA和PyDMA），该探针通过比率型和多模式荧光响应实现了冰毒及其模拟物MPEA蒸气的快速视觉检测和准确识别；同时该团队还引入智能设备构建了适用于现场的半定量和全定量便携式检测平台。此外，研究结合实验数据及飞秒-瞬态吸收光谱详细分析了氢键诱导的荧光探针分子内电荷转移（ICT）调控和薄膜传感器聚集态改变之间的协同作用。

该团队前期工作已经证明，二苯基吖啶为识别位点的荧光探针可以与胺形成不同强度的氢键，引起一级胺、二级胺与三级胺的差异化的响应，将检测范围缩小至MPEA所属的二级胺（图1a）。在本工作中，作者通过进一步调控受体基团，得到一组在聚集态下具有激基缔合物（excimer）特征发光的荧光探针。研究结果表明，这一独特的激发态特性赋予了探针多模式响应的能力，其中MPEA表现出不同于其他化合物的双峰增强响应和青色的荧光发射（如图1c）。

图1. 荧光探针结构设计和效果示意图

图2展示了探针对各种潜在干扰物在420 nm和520 nm处的荧光强度变化，结果显示MPEA在420/520 nm两个波长处均具有最强烈的荧光强度变化；随后该作者将探针表现出的响应构建了三元数据矩阵进行主成分分析（PCA），以其中两个显著因子构建PCA图，其中MPEA被分在单独的椭圆簇，置信区间为95%；即使与MPEA结构非常相似的胺，如苯胺、苄胺或二乙胺，也可以很显著地与MPEA区分开。

图2. 荧光模式对MPEA的特异性识别 

该项研究还对传感器的灵敏度、响应时间、传感范围、稳定性和再生能力等关键性能指标进行了全面的分析。结果表明，PyDPA和PyDMA对MPEA的响应在一分钟内达到稳定；荧光颜色由蓝色变为青色；以520 nm和420 nm处荧光强度比值为纵坐标，PyDPA和PyDMA计算得到检测限分别为0.06 ppm和0.17 ppm。另外，所开发的荧光薄膜传感器具有惊人的可逆性，在连续测试15个循环之后仍然保持70%以上的荧光信号，显著降低了荧光薄膜传感器的使用成本。

图3. PyDPA/PyDMA对MPEA蒸气的传感性能

为了方便禁毒部门在现场快速确认毒品并及时取证，作者开发了一系列便携式检测方法。图4展示了一个类似于pH试纸的校准卡——将制备的薄膜传感器暴露于已知浓度梯度的MPEA蒸气中，捕捉其荧光颜色变化。用户可通过简单的颜色判断初步评估毒品浓度。进一步，为提升低浓度下颜色辨别的准确度，作者开发了基于智能手机的定量检测平台。该平台通过手机提取并分析薄膜传感器颜色变化，将人眼感知的颜色差异量化为具体的数值（用ΔE表示），并在0-0.32 ppm范围内建立了ΔE与浓度之间的线性工作曲线。作者还与中国刑事警察学院合作，验证了该技术对真实缴获冰毒样品中的应用可行性。

图4. 基于PyDPA/PyDMA薄膜传感器开发的便携式半定量/定量检测方法

最后，作者通过核磁滴定验证了作用方式，并通过理论计算和飞秒-瞬态吸收深入解析了发光过程变化的机理。结果表明，二苯基吖啶与MPEA之间形成的氢键会诱导PyDPA/PyDMA的ICT弛豫，导致带隙变窄并引发荧光红移现象，对应520 nm处荧光增强。为揭示excimer在传感过程的贡献，作者分析了探针作用前后荧光衰减曲线饿荧光寿命的变化，得到的荧光寿命由4.31 ns缩短到2.21 ns，证明420 nm处荧光增强是由excimer向monomer的转变引起的。

图5. 传感机理研究

综上所述，这项研究通过快速、可视化及特异性识别，为冰毒的荧光检测带来了性能上的突破，其双机理协同传感机制突破了该领域分子设计的瓶颈，为未来的分子设计提供了新的思路。此外，通过引入现代技术手段，该技术从实验室成功迈向实际，为现场执法、边境安检、物流监管等应用提供了高效工具。未来，这一技术有望进一步进入市场，用于筛查伪装在食品和饮料中的毒品，为公众安全提供更有力的保障，使毒品无处遁形。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ratiometric fluorescence probes for visible detection and accurate identification of MPEA vapor

Xin Miao, Chunxiao Wu, Yuanxing Xia, Shilong Yu, Feng Li & Ming Zhang

Nat. Commun., 2024, 15, 10641, DOI: 10.1038/s41467-024-55011-5

导师介绍

张明

https://www.x-mol.com/university/faculty/11063