新型稀土荧光传感材料的分子设计、基质选择及主客体化学研究

Based on host-guest chemistry, thie project is focused on interaction process between analytes and optical sensors which will be assembled by rare earth ions and designed receptor molecules. Then, the effects of different hosts on the fluorescence recognition will be investigated in view of fabricating practical devices. Lastly, the mutual interaction between charge transfer and energy transfer will be extensively studied. It will include three aspects as follows: I.Unique emission features of rare earth ions such as narrow emissions, long excited state lifetimes and broad spectra range; II. Recognizing various guest molecules; III. Luminecent tools for minimizing background influence. The above research will pave the way for acquiring rare earth fluorescent sensors with fast response rates, high selectivities and stabilities.

本项目建立在主客体化学的理论基础上，以受体分子设计和光学活性中心稀土离子为主线来组装荧光传感材料，研究后者与不同被分析物的作用机理。其次从材料器件构筑的实际出发，将全面探讨多种载体基质对荧光识别效应的影响。最后会详细探讨和归属荧光传感过程中的电荷转移与能量迁移的相互关系。项目的研究成果将把稀土独特的光学性质如锐线发射、寿命长、谱峰范围广等与识别不同客体组分并消除背景荧光有效结合。同时荧光传感机理的解析将为获得高响应速率、高选择性及高度稳定的实用型稀土光学传感器件提供科学依据。

课题从功能分子修饰-基质材料构筑-机理研究-性能应用这条思路出发，研制出一系列具有光学信号响应型的稀土杂合型探针材料。研究结果证实了二氧化硅、二氧化钛、小分子有机胶、小分子水凝胶、聚电解质、聚氨酯、纳米金、碳纳米管、石墨烯和碳点等十余种基质材料能有效完成稀土荧光传感体系的组装。尤其是基于还原石墨烯材料引入二乙烯三胺五乙酸多足螯合结构并与铽离子配位，该杂化无机-有机体系中加入多巴胺后发现材料的绿色荧光呈现“关-开”式的增长。通过荧光滴定实验证实其检测限可低至80 nM。实验还发现喹诺酮类抗生素分子不仅与稀土离子存在有效能量传递，在水相中还可产生由浓度变化促发的自组装效应，从而导致激发波长红移至可见光区现象，其中铽-环丙沙星配合物激发带可达到405nm。在稀土固体光学材料领域，研究集中开发了超声波-微波双重辐射法来研制稀土纳米级荧光材料，将作用时间和温度分别有效控制在60分钟内和80度以下，极大的降低了能耗和提高了反应效率。以上实验成果将能有效结合稀土光化学与纳米基质在传感领域的双重优势，为设计合成动态响应的稀土新型功能材料与器件开拓出新思路。基金项目执行过程中，在Nanoscale,Chem.Commun.等期刊发表通讯作者SCI论文34篇。