1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 研之成理

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

本论文分别合成了三种三种含有给体三原色荧光染料及受体DTEDA的光开关荧光聚合物纳米粒子(B1,B2,B3)和三种相对应不包含DTEDA的荧光聚合物纳米粒子(A1,A2,A3)。通过调节不同颜色的纳米粒子在同一个混合的纳米粒子中的含量,从而实现溶液和固体薄膜状态下从白光到多彩荧光的可逆光调控。

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

DOI: 10.1002/adfm.201804759

文章的第一作者为湖南科技大学-湘潭大学联合培养硕士研究生余茂林和湖南科技大学青年教师张培盛博士,文章的通讯作者为湘潭大学高勇教授,电子科技大学崔家喜教授和湖南科技大学陈建教授。

1. 研究背景

有机荧光材料由于其廉价,无毒且易于大规模生产等优点,在柔性显示,加密防伪和生物成像等领域具有突出的应用价值而备受关注。在设计有机荧光材料的过程中,如何控制其发射波长是难题之一。无机荧光材料,如半导体量子点和金属纳米粒子,它们可以通过调节粒径大小来控制发射波长,而有机荧光材料的发射波长主要是依靠调节共轭结构。想要获得一种颜色的荧光,就得对分子结构重新设计,这无疑需要科研人员在有机合成中付出更多的努力。而想要得到一种组合的荧光(如白光)时,则需要两种或以上的不同发射的荧光染料以一定比例混合,这种情况更具有复杂性。尽管各种有机荧光材料已经被设计和发展,但是它们仍然存在着没有开关性能,成本较高等诸多问题。如何构建一个高效的光开关荧光材料的工具箱,从而实现材料多色荧光之间的可逆调控功能成为了我们需要解决的问题。

光开关荧光聚合物纳米粒子是一种发展光开关荧光材料工具箱的有效方法。将具有光致变色性质的化合物与能级匹配的荧光给体染料结合到聚合物纳米粒子中,可以制备成光开关荧光聚合物纳米粒子。在这些核-壳型纳米粒子中,疏水的染料分子以共价键结合的方式连接到聚合物基质中,有利于增加其在水相中的浓度从而相应提高其在水相体系中的荧光强度,同时还减少它在生物环境应用中有机染料分子可能产生的毒性,此外,将聚合物粒子控制在纳米尺寸大小还可以让给受体限定在有效的Förster 半径内,从而通过荧光能量转移(FRET)实现高效的荧光可逆光调控。

2. 实验部分

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

Scheme 1. Schematic illustrations of design strategy from three primary fluorescent dyes and one photochromic molecules to six nanoparticles with containing three stable single emission nanoparticles and three photoswitchable single emission nanoparticles, then to reversibly photoswitchable white-light to full-colored fluorescence materials.

本论文采用了基于蓝绿红三原色荧光染料{1,8-萘二甲酰亚胺类衍生物(EANI),苯并[1,2,5]恶二唑类衍生物(NBDME)和尼罗红类衍生物(NRME)}和光致变色化合物二芳基乙烯类衍生物(DTEDA)的纳米粒子构建光开关荧光材料工具箱。本论文分别合成了三种三种含有给体三原色荧光染料及受体DTEDA的光开关荧光聚合物纳米粒子(B1,B2,B3)和三种相对应不包含DTEDA的荧光聚合物纳米粒子(A1,A2,A3)。通过调节不同颜色的纳米粒子在同一个混合的纳米粒子中的含量,从而实现溶液和固体薄膜状态下从白光到多彩荧光的可逆光调控。

3. 结果与讨论

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

Figure 1.Photoswitchable properties of the trichromatic nanoparticles. a-f) The changes on optical properties of B1(a, b), B2(c, d), and B3(e, f). The inserts show the fluorescence change of the nanoparticles upon 254 nm UV and visible light irradiation, observed under 365 nm lamp (λex= 365 nm).

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

Figure 2. Reversible photoswitching study of the tricolor nanoparticles.

我们先研究了三种光开关荧光聚合物纳米粒子的光谱性能(Figure 1)和光开关能力(Figure 2)。如图所示,我们所制备的纳米粒子具有很高的能量转移效率、快速的光开关能力和显著的“明-暗”荧光变化。

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

Figure 3.Color gamut and photoswitching behavior between emission and quenching of white fluorescence of the mixed B1B2B3 system.

接着我们将三种光开关荧光聚合物纳米粒子按一定比例混合,实现了在溶液中从白光到猝灭的可逆调控。然后将上述纳米粒子沉淀后用氯仿分散后加入PMA作基底涂成薄膜,实现了在固体薄膜中从白光到猝灭的可逆调控。

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

Figure 4. Photoswitching behavior between white and full-colored fluorescence in the mixed system.

同样地,在制备的六种聚合物纳米粒子(A1,A2,A3,B1,B2,B3)中分别选出三种不同荧光颜色的纳米粒子,依次组合成白到蓝(A1B2B3),白到青(A1A2B3),白到绿(B1A2B3),白到黄(B1A2A3),白到红(B1B2A3),白到紫(A1B2A3)的混合光开关荧光聚合物纳米粒子体系,实现了在溶液和薄膜中从白光到多彩荧光的可逆光调控。

湖南科技大学陈建教授团队AFM:从分子工具箱到光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱

Figure 5. PFPNs application in light-emitting device. a-c) Photographs of a commercial 365 nm UV LED (a), the LED coated with B1B2B3(b), andB1B2A3(c) solid in sunlight when it is turned off (The first column), and tuned on before (The second column) and after (The third column) irradiated with 254 nm UV for 120 s.

Figure 6. Reversible fluorescence image of PFPNs in 96-well plates as a simulation of encrypting data after irradiation of 254 nm UV for 120 s. The fluorescence color change of the mixed solution was observed under a 365 nm UV lamp excitation. Scale bar: 2 cm. 

另外,我们还成功地将上述的光开关荧光聚合物纳米粒子体系应用于显示照明(Figure 5)和数据加密(Figure 6)。

4. 结论

本论文采用一步细乳液聚合法,通过选择性引入红-绿-蓝三原色荧光染料(给体)和光致变色化合物(受体),使纳米粒子体系内发生高效率的FRET,首次设计合成了一种由光开关三原色荧光聚合物纳米粒子和相对应的三原色荧光聚合物纳米粒子组成的工具箱。合成的纳米粒子表现出良好的光开关性能和稳定性,同时按照三原色组合的原理从工具箱中挑选出来,按一定比例混合的光开关荧光聚合物纳米粒子体系实现了在溶液和薄膜中从白光到多彩荧光的可逆光调控。另外,这类混合的光开关荧光聚合物纳米粒子体系也成功地应用于光开关显示照明和数据加密等前沿领域。这些结果表明这种高效的光开关荧光聚合物纳米粒子工具箱在复杂体系的荧光成像与标记、信息加密防伪,显示照明等领域具有广阔的应用前景。

5.个人心得

本课题是从我读研开始做起,算起来接近两年时间。从二芳基乙烯类化合物的合成,到白光膜的制备与应用,都是本课题组以前未曾涉及的领域。幸运的是,在陈建老师,高勇老师以及崔家喜老师的悉心指导下,我攻克了一个又一个的难题。在这两年的时光里,我逐渐找到了前进的方向,对科研越发产生兴趣,勇于挑战困难。很幸运地是第一篇文章就能够被材料领域的著名期刊接收,我非常开心,因为这不仅仅是我自己的第一篇文章,也是我人生的一个新起点。

——by 余茂林

陈建教授简介

陈建,湖南科技大学教授、硕士研究生导师,湖南科技大学教育部重点实验室专职科研人员。中国化学会会员、湖南省化学化工学会会员。近年来,先后共主持各类科研项目10来项,其中包括国家自然科学基金课题3项,中国博士后科学基金一等资助和特别资助等。长期从事光开关荧光纳米材料的设计合成及性能研究、多色荧光纳米材料的设计合成及性能研究以及荧光传感器的设计制备,及其在生物及化学检测中的应用研究。在《Adv. Funct. Mater.》、《Small》、《Macromolecules》、《Polym. Chem.》、《Chem. Commun.》等国内外知名期刊上发表SCI论文40余篇,引用1000余次。目前申请发明专利20件,授权13件。2011年获全国优秀博士学位论文提名奖和2014年获湖南省化学化工学会第十三届青年化学化工奖等。

 

文献链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201804759

本文来自研之成理,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号研之成理

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code