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寧波材料所陳濤研究員/香港科技大學唐本忠院士在《Angew. Chem. Int. Ed.》發表綜述“熒光高分子水凝膠中的多彩世界”
作者:,日期:2020-09-06

  作為發光材料領域冉冉升起的新星,多色熒光高分子水凝膠是一類具有可調發光性能的高分子軟材料,往往含有兩個或多個發光中心。不同于其他主要以固態或液態形式存在的經典熒光材料,由于多色熒光高分子水凝膠的三維交聯網絡中包含大量水分,使其以高度含水的準固態形式存在,因此兼具許多優異的固體和液體的性能,包括與生物組織相近的模量,固有的軟、濕特性,良好的生物相容性等。重要的是,得益于不同發光中心的可控熒光光譜的疊加,多色熒光高分子水凝膠可以被賦予不同的熒光發射強度和顏色。此外,由于很多發光中心具有刺激響應特性,因此可以引入多種刺激以實現凝膠基體的熒光強度和顏色的變化。這種寬光譜的顏色覆蓋以及多刺激響應顏色變化的性質再集成水凝膠獨特的軟濕特性和化學與結構上的多功能性,使其具有巨大的應用前景和研究價值。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員課題組和香港科技大學唐本忠院士課題組基于近年來在熒光高分子水凝膠方面的研究進展(Adv. Mater., 2020, 32, 1906493;Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Mater., 2019, 31, 1902365; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Chem. Mater., 2019, 31, 1092; Chem. Mater., 2019, 31, 5683; ACS Macro Lett., 2019, 8, 937; Sci. China Mater., 2019, 62, 831; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; Macromolecules, 2018, 51, 5762; ACS Sensor, 2018, 3, 2394; J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 9499 et al.),近期在Angew. Chem. Int. Ed.上發表題為“Multicolor fluorescent polymeric hydrogels:colorfulness is more shining than homochromy”的綜述(10.1002/anie.202007506)。

  多色熒光高分子水凝膠其實廣泛存在于自然界中,因為許多海洋軟體動物以凝膠狀態存在并顯示動態發光的行為,用于偽裝和交流。這些天然的多色熒光通常來自于熒光蛋白或天然熒光團。同樣的,人工合成的多色熒光高分子水凝膠的設計通常是將兩個或多個具有不同發光顏色的熒光團加入到同一水凝膠體系中。另外,通過設計和引入一些具有刺激響應顏色變化性能的熒光團可以獲得基于單一發光中心的智能多色熒光高分子水凝膠。到目前為止,許多類型的天然或人工合成的熒光團都可以用來設計和制備多色熒光高分子水凝膠。根據熒光基團的類型可以分為熒光蛋白、有機熒光團、鑭系復合物和發光納米粒子四個大類。

  多色熒光高分子水凝膠具有很多優異性能,包括與生物組織類似的機械性能,固有的軟、濕特性,良好的生物相容性和光學性能。這些獨特的優勢再結合其簡單的制備方法和易于改性、修飾等特點,使其成為很有前途的發光材料,在傳感、生物成像、仿生軟機器人、防偽和智能顯示等前沿應用領域顯示出巨大潛力。盡管在過去的十多年中多色熒光高分子水凝膠的研究取得了一定的進展,但它仍然是一個充滿許多可能性的年輕研究領域。未來基于多色熒光水凝膠的研究需要更加注重對新的構筑策略的開發,例如引入具有優異發光強度和穩定性的有機-無機雜化材料或金屬摻雜材料作為發光中心;需要拓寬其吸收以及發射光譜范圍,尤其是近紅外區域,以滿足其在生物醫學領域的需求;需要繼續發展多功能集成(比如自修復,形狀記憶,導電性,磁響應)的多色熒光高分子水凝膠使單一體系的結構與功能更加完善。此外,熒光水凝膠的機械性能,保水能力也需要進一步的改善,從而提高其更多實際應用的價值。

  以上工作得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目、中科院青促會、廣東省分子聚集發光重點實驗室、華南理工大學、北京理工大學青年教師學術啟動計劃等的資助。

多色熒光高分子水凝膠的基本構筑策略和主要應用領域

高分子與復合材料實驗室 魏書心

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