二维码
电话
当前位置: 首页 >  技术 >  行业专家 > 详情

同济大学毛舜、香港中文大学唐本忠院士:基于分子水平增强簇集发光效应的非常规荧光探针实现新污染物传感分析

2023-02-03 08:02:03 来源:同济大学毛舜、香港中文大学唐本忠院士

成果简介

同济大学环境科学与工程学院毛舜教授与香港中文大学唐本忠院士在国际权威期刊Nature Communications上合作发表研究论文Molecular-level enhanced clusterization-triggered emission of nonconventional luminophores in dilute aqueous solution, Nature Communications, 2023, 14:409。该论文报道了一种基于分子水平增强簇集诱导效应的通用策略,利用常见天然材料—氨基酸与环糊精合成了基于氨基酸修饰的环糊精非常规发光分子,首次实现了基于聚集诱导发光效应的非常规发光材料在低浓度溶液中的高效荧光性能(发光分子浓度0.035 wt.%,荧光量子产率40.70%)。利用合成的氨基酸修饰的环糊精发光分子作为荧光探针,构建了针对四环素类抗生素(金霉素)的荧光分析方法,实现了高选择性、高灵敏度的可视化抗生素检测。

引言

有机荧光材料(OFMs)广泛应用于传感、成像和显示等领域。传统OFMs通常具有基于化学键共轭的大π-共轭芳香结构,具有可调的发光颜色及较高的量子产率;然而,传统OFMs具有水溶性差、生物毒性高、成本高、合成工艺复杂等缺点。相比之下,基于簇集诱导发光(CTE)的非常规天然发光材料具有良好的亲水性、可加工性、环境友好性、优异的生物相容性等优点,使其在传感、成像及生物医药等领域有着广阔的应用前景。然而,目前报道的非常规发光材料均只在结晶态或者高浓度溶液中具有荧光性能,在低浓度溶液中则不发光,这一问题限制了非常规发光材料的实际应用。

受环糊精的独特大环结构和氨基酸中的簇集诱导发光现象的启发,本研究报道了一种新的策略来实现稀溶液中非常规发色团的分子水平增强簇集发光,并首次实现了非常规发光材料在低浓度溶液中的强发光性能。本研究通过实验数据结合理论计算探究了氨基酸修饰的环糊精(CDAAs)的荧光性能及发光机理。进一步利用组氨酸修饰的环糊精(CDHis)作为荧光探针,研究了其对于四环素类抗生素—金霉素(CTC)的荧光响应信号;并利用智能手机支持的便携式荧光检测设备,基于荧光信号和图像分析,实现了对CTC的可视化、便携式检测。

图文导读

同济大学毛舜、香港中文大学唐本忠院士:基于分子水平增强簇集发光效应的非常规荧光探针实现新污染物传感分析,中环网

图1. 氨基酸修饰的环糊精(CDAAs)的合成过程及其三维荧光光谱图

图1为CDAAs荧光材料的合成过程。首先,经高碘酸钠部分氧化得到醛基环糊精(CDA),环糊精的氧化导致C2-C3键的断裂和环糊精骨架的坍塌,由刚性环糊精分子变成柔性分子。然后,将12种氨基酸分子通过化学反应接枝到柔性CDA分子上。以组氨酸(His)为例,His修饰的CD(CDHis)即使在稀溶液(低至0.2 mM)中也表现出明显的簇集发光效应。荧光发光机制研究与理论计算表明,环糊精的有限空间可以增强来自氨基酸和环糊精的C=N、N–H、C=O及OH等非常规发色团的簇集,引发电子离域,形成空间共轭(TSC);同时,通过分子内与分子间的氢键与配位等强相互作用可以提升构象刚化程度,抑制非辐射跃迁,提升荧光量子产率。如CDAAs的三维荧光光谱和荧光照片所示,CDAAs溶液显示出明亮的蓝色至青色荧光,发射光波长范围为350 nm至550 nm;即使在非最佳的激发波长(365 nm)下,CDAAs在稀溶液中也显示出明亮的荧光。

同济大学毛舜、香港中文大学唐本忠院士:基于分子水平增强簇集发光效应的非常规荧光探针实现新污染物传感分析,中环网

图2. CDHis作为荧光探针检测金霉素(CTC)

以组氨酸修饰的环糊精CDHis可特异性识别金霉素(CTC),荧光信号发生显著变化(发射峰蓝移且强度增强),而对四环素(TC)、土霉素(OTC)、美诺环素(MOC)和其他常见小分子有机物在内的有机物小分子则无响应。随着CTC浓度的增加,CDHis最大发射峰从465 nm蓝移至430 nm,荧光强度增加;荧光强度(F/F0)分别在0-7 μM(R2=0.9981)和7-20 μM(R2=0.9941)范围内显示出与CTC浓度的良好线性相关性,检测限(LOD,S/N=3)为0.012 μM。利用智能手机支持的便携式设备,通过荧光图像分析,以不同浓度CTC条件下得到的荧光图像的蓝色和绿色强度(B和G值)之比(B/G)建立标准曲线,可用于金霉素的可视化、便携式检测。以上结果显示了以CDAAs为荧光探针的便携式荧光检测方法在水体中微量新污染物检测领域的应用前景。

小结

本研究报道了一种基于氨基酸修饰环糊精的非常规发光材料以及基于分子水平增强簇集诱导效应的通用策略,首次实现了基于聚集诱导发光效应的非常规发光材料在低浓度溶液中的高效荧光性能。以组氨酸修饰的环糊精为荧光探针,构建了针对四环素类抗生素(金霉素)的荧光分析方法,实现了高选择性、高灵敏度的可视化抗生素检测。本研究提出了基于分子水平增强簇集诱导发光效应的荧光分子合成的新策略,拓展并深化了对非常规发光理论的认识,促进了非常规发光材料在荧光传感与分析成像领域的应用。