紀(jì) 宇，陸 瑤，賈能勤

（上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

0 引言

聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）是最早于2001年被報道的一種新的光物理現(xiàn)象，主要是指發(fā)光物質(zhì)在稀溶液中是弱發(fā)射或非發(fā)射的，但在聚集狀態(tài)下表現(xiàn)出強的光發(fā)射現(xiàn)象［1-4］.在稀溶液中，AIE分子內(nèi)部存在著活躍的振動和轉(zhuǎn)動，當(dāng)這些分子吸收能量后，各種振動和轉(zhuǎn)動把能量消耗之后導(dǎo)致發(fā)光減弱［5-8］.而當(dāng)這些分子呈聚集狀態(tài)時，互相的牽制作用導(dǎo)致分子內(nèi)部的運動受到限制，使得能量消耗較少造成熒光增強的現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為AIE［9-11］.這一機理的發(fā)現(xiàn)為高效發(fā)光材料的設(shè)計和合成提供了新的思路，同時也對一些發(fā)光材料的發(fā)光過程提供了新的見解［12-13］.

電化學(xué)發(fā)光（ECL）是由電生物質(zhì)之間的高能電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的光發(fā)射，主要應(yīng)用于生物傳感器、有機發(fā)光二極管和食品分析等領(lǐng)域［14-16］.已有越來越多關(guān)于AIE和ECL的研究，即聚集誘導(dǎo)的電子發(fā)光（AIE-ECL），通過超分子相互作用（例如氫鍵和π-π堆積作用），可以使發(fā)光化合物發(fā)生分子聚集，從而提高該發(fā)光試劑的ECL強度［17-18］.AIE-ECL不僅可以更清晰地解釋AIE的機理過程，同時還為新型ECL傳感器及新型ECL探針的設(shè)計合成開辟了新的途徑.一般情況下，能夠產(chǎn)生AIE-ECL效應(yīng)的發(fā)光材料，在分散狀態(tài)下顯示出較弱的ECL信號，而通過聚集之后的發(fā)光體，處于聚集狀態(tài)時能夠檢測到非常明顯的ECL信號.因此，通過超分子識別或氫鍵等作用對化合物進行聚集，從而觸發(fā)化合物的AIE-ECL效應(yīng)，對于尋找新的AIE分子至關(guān)重要［19-23］.WEI等［21］設(shè)計合成了一系列D-π-A結(jié)構(gòu)的碳硼烷基咔唑類衍生物，通過對其ECL性能的測試，得到了能有效應(yīng)用于pH=7.4的磷酸緩沖溶液的陰極AIE-ECL材料.GAO等［24］設(shè)計合成了第一例表現(xiàn)出AIE-ECL效應(yīng)的環(huán)金屬銥化合物，該化合物是通過π-π堆積和氫鍵的作用在二甲基亞砜-水（DMSO-H2O）溶液中進行超分子組裝，形成粒徑約為120 nm的納米粒子.JIANG等［25］報道了四苯基乙烯微晶在水溶液中具有顯著增強的聚集誘導(dǎo)ECL性質(zhì).這些AIE-ECL材料的共同點都是通過對有機化合物進行超分子組裝形成的，這主要是由于有機化合物的種類繁多、可調(diào)性好、色彩豐富、色純度高、分子設(shè)計相對比較靈活.它們多帶有共軛雜環(huán)及各種生色團，結(jié)構(gòu)易于調(diào)整，通過引入烯鍵、苯環(huán)等不飽和基團及各種生色團來改變其共軛長度，從而使化合物光電性質(zhì)發(fā)生變化［26］.

本研究設(shè)計合成了三苯胺醛-丙二腈（MT）化合物，基于三苯胺醛與丙二腈之間進行反應(yīng)形成一個推拉電子產(chǎn)物，該產(chǎn)物熒光強度低，ECL信號弱，并研究了其在水/二甲基亞砜（H2O/DMSO）體系和牛血清蛋白（BSA）體系中的AIE-ECL效應(yīng).MT在水溶液中的溶解度非常低，用不同配比的H2O/DMSO來進行分散時，在體系中聚集的程度不同，含水量越高，聚集程度越明顯，熒光現(xiàn)象越強，ECL信號越來越強.同時，BSA本身具有疏水和親水基團，BSA與有機物混合時，疏水部分將復(fù)合物包裹在一起，限制其分子中基團的振動和轉(zhuǎn)動，從而增強MT化合物的ECL.本實驗成功證實了通過BSA體系進行聚集誘導(dǎo)也能夠觀察到非常明顯的聚集誘導(dǎo)熒光增強效應(yīng)及ECL增強效應(yīng).因此，通過本實驗將聚集誘導(dǎo)效應(yīng)和ECL相結(jié)合，為ECL探針的研究提供了新的思路.

1 實驗

1.1 實驗試劑

實驗使用的所有試劑均為分析純等級.哌啶、丙二腈、二甲基亞砜（DMSO）均購買自Sigma-Aldrich公司；三苯胺醛和戊二醛購買自上海阿拉丁生化有限公司；BSA購買自Bovogen公司；實驗過程中的用水均為二次超純水.

1.2 實驗儀器

使用F-7000熒光光譜儀和紫外-2250分光度計（日本島津）對聚集狀態(tài)分子進行熒光和紫外測試；使用電化學(xué)工作站（上海辰華CHI660）檢測ECL信號.

1.3 MT的合成

首先在圓底燒瓶中加入2.0 g三苯胺醛和1.2 g丙二腈，接著在圓底燒瓶內(nèi)注入450 μL哌啶和80 mL四氫呋喃，在氮氣（N2）氛圍的保護下回流24 h.通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑得到固體混合物.得到的混合物通過層析過柱分離出純凈的MT產(chǎn)物，合成路線如圖1所示.取0.2 g MT于20 mL BSA溶液中，磁力攪拌3 h，最終得到BSA包被的MT產(chǎn)物.取0.1 g的MT依次加入到不同體積比的H2O/DMSO的混合溶液中，水的體積分?jǐn)?shù)分別為0%，20%，40%，60%，80%，90%，震蕩1 h之后得到不同聚集狀態(tài)的MT產(chǎn)物.

圖1 MT的合成路線

2 結(jié)果與討論

2.1 BSA聚集誘導(dǎo)體系

MT稀溶液中檢測不到熒光發(fā)射和ECL現(xiàn)象，因此在實驗過程中首先考慮用BSA來進行聚集.由于BSA本身有疏水和親水基團，疏水部分將MT包裹在一起，這樣的包裹導(dǎo)致單個MT分子被聚集在一起.圖2（a）是聚集狀態(tài)下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，可以看到，MT在體系中被聚集成尺寸較為均一的球狀小顆粒，證明BSA對MT有較好的聚集作用.此外還對聚集狀態(tài)下的MT進行了熒光倒置顯微鏡拍攝，實驗結(jié)果如圖2（b）～2（d）所示，在倒置顯微鏡下可以看到與SEM差不多的效果，在不同的激發(fā)波長下（300，350和500 nm）觀察到BSA聚集的MT發(fā)射出不同波長，且較為明顯的熒光現(xiàn)象.因為分子有多個激發(fā)態(tài)，因此會有不同的激發(fā)途徑和衰減途徑，不同波長的光激發(fā)到的激發(fā)態(tài)不同，衰減機理也不同，因此發(fā)射光譜也不同.

圖2 對比最優(yōu)條件下BSA聚集的MT的形貌及熒光圖譜.

為了進一步驗證聚集狀態(tài)下的MT比單個分散狀態(tài)下的MT有明顯的熒光增強效果，對兩種狀態(tài)下的MT進行了熒光發(fā)射測試，實驗結(jié)果如圖3所示.圖3（a）是紫外-可見吸收光譜圖，可以看到MT在350 nm左右有明顯的紫外吸收；圖3（b）是在350 nm的紫外激發(fā)波長下，分別對分散狀態(tài)下和聚集狀態(tài)下的MT的熒光發(fā)射測試，可以看出在分散狀態(tài)下，MT表現(xiàn)出非常低的熒光發(fā)射強度，而在聚集狀態(tài)下，MT表現(xiàn)出非常強的熒光發(fā)射強度.因此，通過對MT的聚集可以有效地增強MT的熒光發(fā)射.分散狀態(tài)下的MT檢測不到ECL信號，而聚集狀態(tài)下能夠檢測到明顯的ECL信號，如圖4（a）所示.考慮到有機物在體系中電子轉(zhuǎn)移能力比較弱，在檢測體系中加入少量的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），如圖4（b）曲線B所示，可以觀察到明顯增強的ECL信號，可能是由于CTAB可以和離子及非離子物質(zhì)進行配合，使發(fā)光物質(zhì)和共反應(yīng)劑過二硫酸鉀（K2S2O8）之間更容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致信號增強［21］.

圖3 MT的實驗表征.（a）MT的紫外-可見吸收光譜；（b）BSA聚集MT的熒光發(fā)射光譜

圖4 MT的電化學(xué)發(fā)光信號圖.

2.2 H2O/DMSO聚集誘導(dǎo)體系

實驗中還用不同體積比的H2O/DMSO對MT進行聚集，發(fā)現(xiàn)不同含水體系中MT的熒光強度和ECL信號有較大的差別，實驗結(jié)果如圖5所示.當(dāng)H2O/DMSO體系中H2O體積分?jǐn)?shù)為0時，在350 nm的波長下觀察不到任何熒光發(fā)射現(xiàn)象；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增加至20%時，仍然檢測不到熒光；隨著體系中的體積分?jǐn)?shù)增加至40%時，能觀察到少量的熒光現(xiàn)象，說明此時體系中的MT發(fā)生了聚集；體積分?jǐn)?shù)至60%時，體系中開始出現(xiàn)較多的熒光物質(zhì)；在80%和90%時出現(xiàn)大量的聚集物，熒光發(fā)射較強；在90%下，MT被聚集成尺寸均勻的長方體形，如圖6所示.

圖5 不同含水體系中MT的熒光圖

圖6 90%含水體系下的MT聚集熒光圖

為了更進一步說明熒光增強效果，對不同含水體系下的MT進行了熒光分析測試發(fā)現(xiàn)，隨著水的體積分?jǐn)?shù)從0增加至90%，熒光強度也在不斷增強，如圖7（a）所示，但是隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，熒光發(fā)射發(fā)生了藍(lán)移，可能是由于體系中水分的增加，MT分子之間以氫鍵進行聚合形成聚集大分子所致.此外還對60%和90%的含水體系中的MT進行了ECL測試，結(jié)果如圖7（b）所示，可以看到隨著體系中水的體積分?jǐn)?shù)的增加，ECL強度也在增強，這與熒光變化相同.因此，綜合對熒光和電化學(xué)發(fā)光的分析發(fā)現(xiàn)：在不同含水體系中，MT分子能產(chǎn)生AIE-ECL效應(yīng).

圖7 不同含水體系熒光圖譜以及電化學(xué)發(fā)光圖.（a）不同含水體系中MT的熒光強度；（b）ECL強度（-0.2～1.5 V）

3 結(jié)論

本研究主要基于AIE原理設(shè)計合成了MT，并研究了該物質(zhì)的熒光效應(yīng)和ECL.AIE主要是通過抑制分子內(nèi)部的振動和轉(zhuǎn)動從而抑制能量的損失.在H2O/DMSO體系和BSA體系中，MT具有熒光增強效應(yīng).用不同體積比的H2O/DMSO來溶解時，在體系中聚集的效果不同，隨著水的體積分?jǐn)?shù)的增加，熒光效應(yīng)越來越強，ECL強度也在逐步增強，符合實驗的預(yù)期.同時，BSA本身具有疏水和親水基團，BSA與MT混合時，疏水部分將復(fù)合物包裹在一起，限制其分子中基團的振動和轉(zhuǎn)動.實驗成功證實了通過BSA體系進行聚集誘導(dǎo)也能夠觀察到非常明顯的聚集誘導(dǎo)熒光增強效應(yīng)及ECL增強效應(yīng).因此，通過將聚集誘導(dǎo)效應(yīng)結(jié)合ECL，為ECL探針的研究提供了新的思路.