一种便携式3D打印设备，用于在工作场所现场检测气体甲醛的荧光特征

时间：2026年1月18日

来源：Sensors and Actuators B: Chemical

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本研究开发了一种基于电纺聚丙烯腈（PAN）荧光纳米纤维的实时可穿戴甲醛检测平台。新型荧光分子2-氨基-6-肼基-1H-苯并[d,e]异喹啉-1,3(2H)-二酮（AHB）通过光诱导电子转移（PET）机制实现甲醛选择性检测，薄膜在0-32.6 ppm范围内呈现线性荧光增强，检测限低至0.03 ppm，并成功集成到手表、手套等可穿戴设备中，为职业环境提供连续监测方案。

曾彦彦|崔子瑜|阿拉姆·帕尔韦杰|焦哲|赵晓芳|王冲|黄雪琳|郭宗宁|易龙|万凯

东莞理工大学环境与土木工程学院，中国东莞523808

摘要

甲醛是一种普遍存在的职业致癌物，需要超越传统方法的实时个人监测解决方案。本文报道了一种可穿戴的荧光纳米纤维平台，该平台结合了分子选择性和实用性。我们设计并合成了一种新型荧光分子2-氨基-6-肼基-1H-苯并[de]异喹啉-1,3(2H)-二酮（AHB），通过光诱导电子转移（PET）机制选择性检测甲醛。为了便于携带，将AHB掺入聚丙烯腈（PAN）中，通过静电纺丝制备荧光纳米纤维膜。所得到的AHB-PAN膜具有均匀的纳米纤维形态，平均直径为257.49纳米，比表面积为670.46平方米/克，提供了较大的气体相互作用界面，同时保持了良好的机械强度和柔韧性。暴露于甲醛时，AHB-PAN膜显示出明显的、浓度和时间依赖性的荧光增强，30分钟内达到稳定信号。我们开发了一种低成本的无线便携设备，可以实时读取荧光信号，显示出对甲醛浓度从0到32.6 ppm的线性响应，检测限为0.03 ppm。这些特性使得AHB-PAN纳米纤维膜可以集成到手表、手套和防护服等可穿戴设备中，实现职业环境中气体甲醛的连续实时监测。

引言

甲醛是一种含有羰基（C=O）的化合物，在建筑材料、家具涂层、化妆品、清洁产品和纺织品中广泛存在[1]。由于它会随着时间缓慢释放，因此会在室内空气中积累，对健康造成长期风险。即使是非常低的浓度（约0.06–0.07毫克/立方米），也可能引发儿童的轻微哮喘症状[2]。随着浓度的增加，甲醛的危害性越来越大。在0.1毫克/立方米时，会产生强烈的不愉快气味和刺激；在0.5毫克/立方米时，会导致眼睛发炎和流泪；在0.6毫克/立方米时，会引起口咽部不适；更高浓度则可能导致恶心、严重的哮喘发作和肺水肿；而暴露于约30毫克/立方米的环境中可能是致命的。

目前测量甲醛的大多数方法依赖于实验室技术，如比色法[3]、气相色谱（GC）[4]、高效液相色谱（HPLC）[5]和表面增强拉曼光谱（SERS）[6]。这些方法准确且灵敏，但需要复杂昂贵的仪器、受过培训的技术人员以及受控的实验室条件，因此不适合实时现场监测。近年来，已经开发了便携式工具，如比色试剂和电化学传感器[7]。比色传感器简单快捷，但灵敏度较低；电化学传感器灵敏度较高，但容易受到其他挥发性有机化合物（VOCs）以及温度和湿度变化的影响，从而降低了其在实际环境中的可靠性。因此，仍然迫切需要一种灵敏、选择性高且易于使用的现场甲醛传感器。

荧光传感提供了一个有力的替代方案，因为它具有高灵敏度、清晰的信号对比度以及非接触式读数功能[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。迄今为止报道的大多数荧光探针都在溶液中工作，例如水介质[13]或极性有机溶剂[15]、[16]，但这限制了它们的实际应用，因为液体不稳定且容易受到污染。已经开发了基于纸张的比色传感器，其中固定了荧光探针[17]、[18]，但它们无法连续监测随时间吸收的甲醛量，而这正是评估人类暴露情况的关键。静电纺丝技术可以克服这些限制，制备出直径为50–500纳米、比表面积大于200平方米/克且柔韧性良好的纳米纤维，非常适合用于可穿戴传感器[19]、[20]。当荧光探针嵌入纳米纤维膜中时，其发光性能得到增强，纤维能够有效捕获气体分子，非常适合气体传感。为了使这种方法在实际应用中发挥作用，还需要一种便携设备来快速准确地读取暴露现场的信号。

在本研究中，通过将6-溴-1,8-萘酐与肼水合物回流反应合成了2-氨基-6-肼基-1H-苯并[de]异喹啉-1,3(2H)-二酮（AHB），并使用1H NMR和质谱对其进行了表征。该化合物具有光诱导电子转移（PET）特性，并对甲醛产生荧光响应。利用这一特性，我们通过静电纺丝成功制备了嵌入AHB的聚丙烯腈（AHB-PAN）纳米纤维膜（方案1a），实现了均匀的形态和良好的机械强度。随后，通过将AHB-PAN膜与微电子和无线通信模块集成，开发出了可穿戴监测设备，能够观察荧光强度的变化。该系统建立了甲醛蒸气浓度与荧光变化之间的线性关系，实现了甲醛蒸气的实时荧光追踪。通过切割和塑形，将荧光膜传感器应用于手表、手套和劳保服中，能够在各种环境中实时检测甲醛，提供早期预警。

2-氨基-6-肼基-1H-苯并[de]异喹啉-1,3(2H)-二酮（探针AHB）的合成

将4-溴-1,8-萘酐（400毫克，1.44毫摩尔，1当量）和1.0 M肼（10.11毫升，7当量）混合，在四氢呋喃（THF）中于70°C下回流反应12小时。反应结束后冷却至室温，过滤收集沉淀的固体并用冷乙醇洗涤。合成路线如图S1所示。最终获得了橙色产物2-氨基-6-肼基-1H-苯并[de]异喹啉-1,3(2H)-二酮，产率为86%。

AHB的特性及其检测甲醛的机制

AHB在固态和液态下均表现出非发射行为，这是由于PET效应所致。PET效应通过从供体基团向受体基团的电子转移抑制了辐射衰减。然而，暴露于甲醛后，由于反应阻碍了PET过程，其发射强度反而增加。如图1a所示，探针AHB的荧光发色团为萘酰亚胺，而反应活性位点是肼基。

结论

本研究提出了一种通过静电纺丝制备的新型荧光纳米纤维膜（AHB-PAN），用于检测气体甲醛。该膜在暴露于甲醛时表现出明显的荧光“开启”响应，这一现象由光诱导电子转移（PET）机制驱动。气体传感测试表明，AHB-PAN膜在宽广的浓度范围（0–32.6 ppm）内可提供稳定的荧光增强。在365纳米紫外光下，膜的颜色从深绿色明显变化。

CRediT作者贡献声明

帕尔韦杰·阿拉姆：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。焦哲：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。赵晓芳：软件开发，数据管理。王冲：实验研究。黄雪琳：资金筹措。郭宗宁：资金筹措。易龙：项目管理。万凯：项目管理。曾彦彦：撰写 – 原稿撰写，数据分析。崔子瑜：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。