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  烷基化類熏蒸劑作為一類劇毒且致癌的氣態(tài)農(nóng)藥正被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食存儲以及白蟻防治等諸多方面。針對有毒物質(zhì)的吸收、解毒和檢測是提高專業(yè)和個(gè)人防護(hù)的主要措施。根據(jù)加州農(nóng)藥管理局的統(tǒng)計(jì)，每年僅在加州范圍內(nèi)，熏蒸劑的使用量可達(dá)2萬余噸。然而對于熏蒸劑而言，無論是對其的吸附解毒材料還是快速檢測方法都十分有限。近年來，具有超高比表面積和孔隙率的金屬有機(jī)框架（MOF），共價(jià)有機(jī)框架（COF）和多孔有機(jī)聚合物（POP）在氣體吸附，傳感和催化方面變現(xiàn)突出。但是上述材料大多都以粉末的形式存在，這無疑給他們的應(yīng)用，特別是在可穿戴防護(hù)材料上的應(yīng)用帶來了巨大的困難與限制。

  針對上述問題，博士后研究員唐佩馨博士將POP和棉織物結(jié)合設(shè)計(jì)出了針對烷基化類熏蒸劑快速吸收、原位解毒和顏色警示的超強(qiáng)吸附性纖維基設(shè)備“SAFE-Cotton”.研究人員利用三聚氰氯和三聚氰胺的縮合反應(yīng)在棉纖維上原位聚合生成高度多孔的親核性有機(jī)聚合物 （Nu-POP）。Nu-POP在棉纖維表面的共價(jià)生長最大程度地保留了Nu-POP在粉末狀態(tài)下的物理特性，包括超高的孔隙率和比表面積（粉末狀態(tài)：598.2 m²/g;共價(jià)生長在棉纖維上：424.2 m²/g）。最終，“SAFE-Cotton”的比表面積（110.3 m²/g）相比于普通棉織物提高了38倍，并且仍保持著棉織物原有的柔軟性、透氣性和可穿戴性，使其在新型個(gè)人防護(hù)設(shè)備方面的應(yīng)用成為可能。

圖1.a)基于棉織物的超強(qiáng)吸附性纖維基設(shè)備“SAFE-Cotton”的制備工藝。b)電子顯微鏡下“SAFE-Cotton”的表面結(jié)構(gòu)與形態(tài)。c)不同材料的氮?dú)獾葴匚?解吸結(jié)果。d)柔性的、可折疊、可卷曲、可恢復(fù)的“SAFE-Cotton”。

  得益于“SAFE-Cotton”優(yōu)秀的比表面積、孔隙率和親核性,烷基化類熏蒸劑的快速吸附和解毒機(jī)理如圖2a)所示。具體來說，熏蒸劑氣體包括碘甲烷，溴甲烷，1,3-二氯丙烯和三氯硝基甲烷可被“SAFE-Cotton”通過毛細(xì)冷凝效應(yīng)快速吸附（吸附平衡時(shí)間在一分鐘之內(nèi)）。同時(shí)，“SAFE-Cotton”在10次碘甲烷蒸汽的重復(fù)暴露過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的吸附效率。“SAFE-Cotton”對于碘甲烷的吸附量可高達(dá)596.88 mg/g.

圖2.a)“SAFE-Cotton”的吸附和解毒機(jī)理。b)碘甲烷吸附曲線。c)碘甲烷循環(huán)吸附效率。d)“SAFE-Cotton”對于其他熏蒸劑的吸附曲線。

  更值得一提的是，被吸附的碘甲烷可在“SAFE-Cotton”的孔隙內(nèi)進(jìn)行原位解毒：與親核性的Nu-POP發(fā)生烷基化反應(yīng)。同時(shí)依賴于Nu-POP中的氮原子的Bronsted堿性，材料解毒后生成的中間體會(huì)進(jìn)一步發(fā)生失氫反應(yīng)而引起電子重排，從而使得材料產(chǎn)生肉眼可見的黃色（如圖3所示）。而解毒反應(yīng)的發(fā)生引起了Nu-POP結(jié)構(gòu)的變化（如比表面積和孔隙率降低），從而影響“SAFE-Cotton”后續(xù)的吸附解毒效果。隨著解毒過程的積累，“SAFE-Cotton”可呈現(xiàn)出從白色到棕黃色的顏色變化以警示解毒過程的發(fā)生，并且根據(jù)顏色變化程度提示更換材料以保證防護(hù)效果。

圖3.a)“SAFE-Cotton”吸附和解毒不同濃度碘甲烷之后的顏色變化。b)相應(yīng)顏色變化的“SAFE-Cotton”保留的吸附效率。

  以上相關(guān)成果以“Wearable super-adsorptive fibrous equipment in situ grafted with porous organic polymers for carcinogenic fumigant defense and detoxification”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。論文的第一作者為美國加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系博士后唐佩馨，通訊作者為孫剛教授。共同作者還有東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院講師紀(jì)柏林。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta07475f#!divAbstract