随着人类经济和社会的飞速发展，社会生产对能源的需求日益增加。截至 2019 年底，我国在建核电机组 13 台，总装机容量 1387.1 万千瓦，在建机组装机容量为全球第一。在我国核电事业快速发展的形势下，核环境应急已经成为公共安全领域非常重要的组成部分。放射性碘是核工业产生的主要有害核素之一，核事故发生后，放射性碘泄漏污染的主要特点为散布快、范围广、危害大。因此，实现对痕量放射性碘蒸汽的快速实时检测，是核应急早期预警及放射性碘有效控制与治理的关键环节。
针对这一问题，华道本教授团队与徐静娟教授团队联合报道了应用电化学发光（ECL）技术实现高灵敏度痕量碘蒸汽检测的研究工作。该工作基于具有聚集诱导ECL（AIECL）行为的自增强聚合物点（Pdots）探针，获得了低达0.13 ppt的检测限及高抗干扰能力，并且制成配套小型化上采光ECL暗室。与目前已有的检测方法（如γ射线检测仪、碘检测试纸等）相比，该方法具有超高灵敏度及仪器小型化、便携化、低成本的优点，更适合核应急条件下实时实地的痕量碘监测，有利于核事故的早期预警及放射性碘污染治理工作。该工作亦提出并探究了共反应剂中毒（CGP）这一蒸汽检测的新机理，为该领域后续研究奠定了理论基础（图1）。
图1. AIECL自增强Pdots碘蒸汽探针用于核应急早期预警中的放射性碘蒸汽高灵敏度快速监测。（Copyright 2021, The Royal Society of Chemistry.）
该工作利用芴、四苯乙烯及二噻吩苯并噻二唑三种单体通过Suzuki偶联反应合成了具有AIECL性质的共轭聚合物，并在侧链上修饰三级胺共反应基团，使其具有自增强ECL行为（图2）。其侧链上的共反应基团可被碘蒸汽毒化从而淬灭ECL信号，实现对痕量碘蒸汽的精确检测（图1）。
图2.共轭聚合物的合成方法。（Copyright 2021, The Royal Society of Chemistry.）
碘蒸汽是以I5+的形式与共轭聚合物的芳环π电子或三级胺孤电子对结合。相比芳环π电子，痕量的I5+更易于结合三级胺孤电子对，使三级胺共反应基团中毒，失去在ECL过程中给出电子的能力，破坏Pdots的ECL发射过程，从而达到淬灭其ECL信号的目的（图3A）。这个过程最终导致了Pdots的ECL信号强度随碘蒸汽浓度的增大而不断降低（图3B）。该探针对碘蒸汽的检测限可达0.13 ppt，低于绝大部分已知放射性碘蒸汽检测法（图3C）。该探针在不同类型有机蒸汽及水蒸气（均为饱和浓度）存在下，对10 ppb的碘蒸汽响应几乎不受影响，这说明该探针具有很好的选择性（图3D）。
图3.（A）CGP机理示意图；（B）不同浓度碘蒸汽存在下Pdots的ECL强度；（C）碘蒸汽检测线性；（D）Pdots对碘蒸汽的选择性。（Copyright 2021, The Royal Society of Chemistry.）
为了适应核应急条件下碘蒸汽快速实时实地精确检测的需要，在实际工作中可使用Pdots修饰丝网印刷电极（SPCE）制成成本极低（1~3 RMB）的一次性检测元件，以替代前处理复杂、成本高昂的玻碳电极（GCE）。而SPCE向上发光的特性决定了适应GCE的传统ECL下采光暗室无法适用（图4C）。为解决这一问题，该工作设计了配套的便携式上采光暗室（图4A）并制作了样机（图4B），目前该样机正在调试中。
图4. (A)上采光暗室原理图；（B）上采光暗室样机；（C）传统暗室及上采光暗室对比图。（Copyright 2021, The Royal Society of Chemistry.）
由于该装置具有灵敏度高、装置便携、检测步骤简易等优势，因此适用于核应急中的早期预警。以切尔诺贝利核事故为例，向空气中释放了1.76×1018 Bq (382 g)。通过碘蒸汽的总量可以进行一个粗略的估算，在事故发生之时，这些碘蒸汽在500 m以下的低空、核反应堆周围5.88 km2范围内的平均浓度在0.13 ppt，可以被检测到。在核事故发生时靠近反应堆的空间内，碘-131蒸汽的浓度远远大于该检测装置的检测限，说明该检测器在核泄漏发生时具有准确预警的能力。
以上相关成果发表在J. Mater. Chem. A2021, DOI: 10.1039/d1ta02158c。苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室的博士后王子昱及副研究员徐美芸为共同第一作者，通讯作者为华道本教授，共同通讯作者为南京大学生命分析化学国家重点实验室的徐静娟教授。同时，该技术正在申请国家专利，申请号：2020113146609。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ta/d1ta02158c
