基于聚集诱导发光（AIE）与分子内电荷转移（ICT）的荧光传感薄膜用于酚类的气相检测

在过去的二十年里，陕西师范大学房喻教授（点击查看介绍）研究组一直致力于荧光敏感薄膜材料的创制、传感薄膜的器件化以及薄膜器件的阵列化研究工作，发展了一系列荧光敏感薄膜材料，成功研制了爆炸物、毒品等有害物质高性能荧光传感器和探测设备，自主搭建了材料性能评价与原型设备研制共享平台。相关产品在十九大、G20峰会、博鳌论坛、港珠澳大桥开通典礼、军运会、外国元首接待，以及中央军委、乌干达总统府、深圳地铁等重大活动或重要场所的安全检查中发挥了重要作用。

近年来，房喻教授小组创造性地将非平面结构引入到荧光分子设计中，制备了一系列富含“分子通道”的荧光薄膜，利用内聚能差异、薄膜通道的体积选择、极性差异，以及传感单元荧光量子产率的溶剂依赖特性等，在自行研发搭建的传感平台上实现了对多类常规乃至有毒有害气体的高效检测（Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905295; Chem. Commun., 2019, 55, 12679-12682; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 1757-1765; Adv. Mater. Technol., 2019, 1800644; Mater. Chem. Front., 2019, 3, 1218-1224; Chem. Commun., 2019, 55, 941-944; Chem. Sci., 2018, 9, 1892-1901; Nat. Commun., 2018, 9, 1695; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 35647-35655; Anal. Chem., 2018, 90, 14088-14093）。

具有聚集诱导发光（AIE）性质的荧光化合物通常具有较高的固态发光效率，而一些具有特殊立体结构的AIE分子之间还能形成分子水平上的疏松堆积，从而赋予传感薄膜可供待测分子通过的“分子通道”，可以大大提高传感的灵敏度以及响应、回复速度。邻碳硼烷是一类具有三维立体结构的多面体砌块，且其还具有较强的吸电子特性。综合以上考虑，并结合电荷分离态对微环境的敏感性，近期房喻教授小组将具有强供电子能力的氮杂环丁烷与吸电子基团碳硼烷通过单苯环相连，设计合成了邻碳硼烷衍生物BZPCarb，通过AIE与分子内电荷转移（ICT）的“联姻”，获得了高选择性、高灵敏度且回复性好的传感薄膜。

Figure 1. Molecular structure and fluorescent images of the AIEgen (BZPCarb). The pictures next to the structure are its fluorescence images in CH₂Cl₂ and in film state with glass plate as a substrate. Note: The concentration of the CH₂Cl₂ solution is 5 μM and the film was fabricated via spin-coating on a glass plate surface. The photos were taken under UV light (365 nm) illumination.

Figure 2. (a) Typical responses of the BZPCarb-based film device (λ_ex/λ_em= 350 nm/620 nm) to the saturated vapour of phenol and different kinds of cresol at room temperature (~21 ºC). (b) Performance-stability test of BZParb-based film towards the sensing of saturated vapour of phenol (λ_ex/λ_em= 350 nm/620 nm; 50 repeats). (c) Schematic representation of the home-made conceptual sensor. (d) Response performance of BZPCarb-based film sensor (λ_ex/λ_em = 350 nm/620 nm) towards the saturated vapour of phenol in environment of different humidity with an error of ±3% at room temperature (~21 ºC).

传感测试表明由BZPCarb所制备的薄膜具有优异的光化学稳定性，这是荧光薄膜能用于传感检测的一个必要前提。BZPCarb 薄膜对四种酚类化合物（苯酚、邻/间/对甲酚）表现出荧光增强型的响应，这与已经报导的酚类荧光传感器有很大的区别。对传感机理的研究表明，这种荧光增强型的响应来源于酚类化合物与BZPCarb之间形成的氢键作用，这种弱相互作用阻碍了BZPCarb分子内的运动，荧光因此得以增强。同时，该薄膜对这四种酚类具有超灵敏的响应，检出限均低至ppt级别。更为重要的是，利用该薄膜对四种酚类的响应-回复动力学差异，该工作还实现了对这四种酚类的选择性识别。

这一成果发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者为陕西师范大学博士研究生黄蓉蓉，通讯作者为陕西师范大学房喻教授与彭浩南副教授。

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Marriage of Aggregation-Induced Emission and Intramolecular Charge Transfer toward High Performance Film-Based Sensing of Phenolic Compounds in the Air

Rongrong Huang, Huijing Liu, Ke Liu, Gang Wang, Quan Liu, Zhaolong Wang, Taihong Liu, Rong Miao, Haonan Peng, Yu Fang

Anal. Chem., 2019, 91, 14451−14457, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03096

导师介绍

房喻

https://www.x-mol.com/university/faculty/12388

课题组网站

http://yfang.snnu.edu.cn/index.htm