蘭州化物所紅色熒光水凝膠研究獲進展

三維交聯的親水性聚合物網絡構成的熒光水凝膠材料，在發光傳感和檢測等方面具有優勢。近年來，科研人員開發出不含傳統大π共軛結構的發光系統。基于簇集誘導發光效應（CTE）的新興的、非常規的發光材料備受關注。與傳統熒光材料不同，新發光材料的發光來源不是通過大π共軛結構的發色團，而是通過富含π電子或孤對電子基團的相互聚集而形成的空間相互作用，從而擴展了電子離域能力，并構象剛化后形成了內在團簇結構的發色團。然而，CTE領域的主要挑戰是發光基本處于藍光區域或波長約在400-500 nm之間，而實際應用更希望發射熒光擴展到紅光甚至近紅外區域。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室3D打印摩擦器件組王曉龍團隊在非傳統熒光水凝膠研究方面取得進展，發展了具有熱致紅色熒光特性的超分子水凝膠。這一超分子水凝膠在熒光成像與檢測、金屬離子識別及軟體驅動器等領域具有應用前景。

該研究受蝦青素-蛋白質加熱變色現象的啟發，利用溶劑調控與相轉化氫鍵重構相結合策略，在熱驅動力下聚合物鏈間多個-C=O基團和N-H基團發生聚集，并在強氫鍵作用下形成穩定的團簇結構。此時，-C=O基團和N-H基團不受外側水分子氫鍵的影響，對每一個單元均可形成氫鍵D-A結構，利于電子的電荷轉移，使空間相互作用增強，并使聚合物構象剛化從而產生紅色熒光特性。

該熒光水凝膠在軟體驅動器方面顯示出良好的應用潛力。該團隊設計并制造了仿生熒光水凝膠水母機器人。該熒光水母機器人在電機驅動下可在水下游動，表現出良好的機械性能。

該研究發現了離域化氫鍵D-A團簇結構能夠實現長波長CTE效應，發展了簡單策略以制備出具有優異力學性能的紅色熒光超分子水凝膠。該方法具有合成路線短、低成本、綠色及操作簡單等優勢，為非傳統熒光水凝膠設計提出了新策略。

相關研究成果以Multiple hydrogen-bonding induced nonconventional red fluorescence emission in hydrogels為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項、中國科學院“西部之光”人才培養計劃創新團隊項目和蘭州化物所重點培育項目等的支持。

論文鏈接

蝦青素-蛋白質加熱變性過程和受此啟發的熒光水凝膠制備機理