聚集誘導(dǎo)發(fā)光(Aggregation-induced emission, AIE)于2001年被香港科技大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道,并在我國科學(xué)家的引領(lǐng)下逐漸成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域;而AIE材料的納米聚集體亦被《自然》雜志社列為支撐“納米光革命”的四大納米材料之一。與很多傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)光材料在高濃度溶液中或固態(tài)下由于分子聚集導(dǎo)致熒光淬滅不同,AIE材料在稀溶液中幾乎不發(fā)光,而在聚集態(tài)的發(fā)光非常強(qiáng),因而在離子檢測、爆炸物檢測、生物成像、光動力治療、光捕獲等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。如何構(gòu)筑低濃度和固態(tài)條件下光學(xué)性能優(yōu)異的新型熒光發(fā)射體系引起了越來越多科研工作者的廣泛關(guān)注,并逐漸成為AIE領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
近期,吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院湯鈞教授-楊英威教授團(tuán)隊(duì)在柱芳烴共聚物主體和自組裝材料的設(shè)計(jì)合成及聚集誘導(dǎo)發(fā)光功能調(diào)控的研究上取得了重要進(jìn)展;首次報(bào)道了基于聚合物主體材料和四苯基乙烯衍生物的超分子組裝誘導(dǎo)熒光和熒光增強(qiáng)體系并且成功構(gòu)筑溶液相(ΦF = 98.22%)和固相(ΦF = 68.68%)的高量子產(chǎn)率超分子聚合物體系(圖1)。該研究成果以《聚合物主體材料調(diào)控的高效聚集誘導(dǎo)發(fā)光》 (Efficient Aggregation-Induced Emission Manipulated by Polymer Host Materials) 為題,在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials) 雜志上發(fā)表 (DOI: doi.org/10.1002/adma.201903962),并被選為內(nèi)封面文章。
(TOC Graphic)
圖1 基于聚合物主體材料的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)和超分子聚合物納米粒子制備與性質(zhì)示意圖
(來源:Adv. Mater.)
作者利用“活性”/可控自由基聚合的方法以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酰胺以及修飾了柱[5]芳烴大環(huán)的甲基丙烯酸甲酯類單體為原料精確合成了一系列側(cè)鏈含有柱[5]芳烴的共聚物,并首次用于調(diào)控四苯基乙烯衍生物的光學(xué)性能。作者首先通過一維以及二維核磁分別從小分子以及聚合物兩個角度證明主客體作用的存在,即熒光客體分子能夠與柱[5]芳烴空腔發(fā)生主客體相互作用(圖2)。
圖2 主客體作用核磁共振表征圖
(來源:Adv. Mater.)
接下來,作者詳細(xì)探討了柱芳烴密度、主客體作用、溶劑種類、溫度以及競爭客體分子等對超分子組裝誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)體系的影響(圖3和圖4)。得到了如下結(jié)論:1)相對于游離的柱[5]芳烴,通過把柱[5]芳烴固定在聚合物側(cè)鏈能夠有效限制四苯基乙烯分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn),從而將更多的能量以輻射躍遷的方式釋放,顯著增加了超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的熒光發(fā)射強(qiáng)度;2)聚合物側(cè)鏈上柱芳烴密度越高,制備的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)熒光發(fā)射強(qiáng)度越高;3)聚合物主體材料與四苯基乙烯客體分子衍生物之間的主客體作用越強(qiáng),超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的熒光發(fā)射越強(qiáng)。此外,在將傳統(tǒng)聚合物的共價(jià)作用引入到在超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)熒光增強(qiáng)后,該體系仍能實(shí)現(xiàn)溫度以及競爭客體分子的超分子刺激響應(yīng)行為。
圖3 聚合物主體材料誘導(dǎo)的超分子組裝熒光增強(qiáng)聚合物網(wǎng)絡(luò)體系熒光光譜實(shí)驗(yàn)
(來源:Adv. Mater.)
圖4 超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)的溫度和競爭客體分子刺激響應(yīng)性熒光光譜實(shí)驗(yàn)
(來源:Adv. Mater.)
最后,將受體分子二苯乙烯基蒽衍生物與四苯基乙烯通過主客體作用共組裝于聚合物主體材料后,在THF/水混合溶劑中成功構(gòu)筑了具有光捕獲性能的超分子聚合物納米粒子,實(shí)現(xiàn)了冷色調(diào)到暖色調(diào)熒光發(fā)射的調(diào)控(圖5)。在該類超分子聚合物體系中,共價(jià)鍵與非共價(jià)鍵的巧妙結(jié)合可賦予材料出色的光學(xué)性能以及多重刺激響應(yīng)性,進(jìn)一步拓展了基于超分子聚合物的超分子組裝誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)體系的研究思路,為光能的開發(fā)利用以及新型熒光材料的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)方向。
圖5 基于聚合物主體材料的光捕獲體系
(來源:Adv. Mater.)
這一成果是湯鈞教授-楊英威教授團(tuán)隊(duì)利用聚合物構(gòu)筑基于主客體化學(xué)的超分子組裝誘導(dǎo)熒光和熒光增強(qiáng)體系的又一重要階段性成果!盎钚浴/可控自由基聚合為精準(zhǔn)合成結(jié)構(gòu)明確、分子量以及分子量分布可控的功能聚合物提供了有效的手段。在前期工作中,湯鈞教授團(tuán)隊(duì)主要通過精準(zhǔn)合成構(gòu)筑結(jié)構(gòu)和性能可控的聚合物材料:分別實(shí)現(xiàn)了以有機(jī)金屬骨架材料固載生物模擬酶催化原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 26948),有機(jī)-無機(jī)雜化納米花催化體系的可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基聚合(RAFT)(Macromolecules 2018, 51, 716),以及利用點(diǎn)擊化學(xué)結(jié)合酶促聚合調(diào)控聚合物結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基因藥物的高效遞送(ACS Macro Lett. 2017, 6, 523)。這些工作不僅豐富了綠色聚合化學(xué)方法并為基于結(jié)構(gòu)性能調(diào)控的聚合物材料的設(shè)計(jì)與合成提供了可靠技術(shù)方法。
該工作近期發(fā)表在Advanced Materials雜志上,文章第一作者為吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院湯鈞教授和楊英威教授聯(lián)合培養(yǎng)的在讀博士研究生王星火;其他合作者包括研究團(tuán)隊(duì)的宋楠博士、研究生侯偉、王春宇老師和王艷副教授;論文共同通訊作者為湯鈞教授和楊英威教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、吉林省省校共建計(jì)劃新材料專項(xiàng)資金和吉林大學(xué)培英工程計(jì)劃的支持。
全文鏈接:
Wang, X.-H.; Song, N.; Hou, W.; Wang, C.-Y.; Wang, Y.; Tang, J.;* Yang, Y.-W.* Efficient Aggregation-Induced Emission Manipulated by Polymer Host Materials. Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201903962.
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