陕西师范大学房喻团队：碟烯苝酐二联体的高效光诱导电荷分离及其在湿度测量中的应用

来源：高分子科学前沿

薄膜基荧光传感是继离子迁移谱之后，业界公认的有望替代嗅爆犬、缉毒犬和疾病诊断犬的新一代微痕量气相探测技术。在过去的几十年里，陕西师范大学房喻教授研究组一直致力于薄膜基荧光传感技术研究，成功研制了爆炸物、毒品等有害物质高性能荧光传感器和探测设备，相关产品获得了广泛应用。

敏感薄膜创制是薄膜基荧光传感技术发展的基础。近年来，房喻教授小组基于毛细凝结效应、传感单元激发态对微环境变化的敏感性，以及解吸动力学差异等提出了高性能敏感薄膜的组合设计思想。据此，设计合成了多个系列具有非平面结构特点的荧光传感单元，由此发展了一系列富含“分子通道”的荧光敏感薄膜，极大地提高了传感薄膜的传质效率，实现了对多种有毒有害化学品的气相灵敏检测（Chem. Sci. 2018, 9, 1892; Nat. Commun. 2018, 9, 1695; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 35647; Anal. Chem. 2018, 90, 14088; Adv. Mater. Technol. 2019, 1800644; Mater. Chem. Front. 2019, 3, 1218; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1757）。

快速、原位、即时湿度测量在工农业生产、国防建设和日常生活中具有重要的意义。到目前为止，人们已经发展了基于不同机制的形式多样的湿度传感器，但这些传感器多存在灵敏度不高、选择性性不好、探测速度或可逆性不尽人意，以及探测范围不够宽广等这样或那样的问题，因此，仍然需要发展新的湿度探测技术和方法。

最近，房喻教授研究组设计合成了一类新型含五蝶烯的苝二酰亚胺二联体，该二联体在光诱导下可发生高效电荷分离。有意思的是，伴随电荷分离该二联体从高荧光活性彻底转化为没有荧光活性，呈现典型的光开关效应。这一性质对环境极性变化极为敏感，这就为湿度探测奠定了基础。分子的非平面结构又保证了薄膜态时，荧光不会因聚集而猝灭。基于这些性质实现了对有机溶剂中水分的高灵敏和对大气湿度的大范围可靠测定。薄膜态湿度测定线性范围宽（6.3%-100%）、响应速度快且响应可逆、重复使用性好，为后续器件开发研究奠定了良好基础。

图文速递

图1 目标化合物P-PBI-P和对照化合物P-PBI, PBI, P的化学结构式。

图2 化合物P-PBI-P在不同溶剂中的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱（a）；三种苝二酰亚胺衍生物在极性不同介质中荧光量子产率变化图（b）；化合物P-PBI-P溶剂效应机理解释图（c）；化合物P-PBI-P发生光诱导分子内电子转移过程示意图（d）。

图3 水含量不同的二氧六环溶液荧光发射光谱（a）；荧光强度变化及寿命变化对水含量的线性拟合图（b）。

图4 传感器1的湿度响应范围（a）；传感器1和2的动态响应行为（b）；传感器1在加湿和除湿过程中的响应特性（c）；传感器1的性能温度依赖性（d）；传感器1的重复使用性（e）。

该项研究以“A Perylene Bisimide-Contained Molecular Dyad with High-Efficient Charge Separation: Switchability, Tunability, and Applicability in Moisture Detection”为题近期在Advanced Functional Materials发表（Adv. Funct. Mater. 2019, 1905295）。论文第一作者为博士研究生王朝龙，通讯作者为房喻教授。该工作得到了国家自然科学基金（21527802, 21673133，21820102005），“111”引智计划（B14041）等项目经费的支持。