刺激响应性白光高分子水凝胶的构建及其传感性能研究

Fluorescent polymeric hydrogels have comparatively important theoretical and practical values in molecular recognition, biomedical and sensing areas. However, compared with the extensive studies on traditional fluorescent polymeric hydrogels with single-color emission, the researches of white-light-emitting polymeric hydrogels are highly lagging, which seriously limits their application in many areas. This project is proposed to produce a new type of polymeric hydrogels simultaneously grafted with blue-light-emitting AIE fluorophores and terpyridyl groups. After regulating the red and green light emission of the hydrogels through competing complexation of different lanthanide ions with terpyridyl groups, white-light-emitting polymeric hydrogels are obtained, because white-light-emission requires the mixing of three primary colors (red, green and blue colors). After systematical studies on the stimuli responsive behaviors and mechanisms of the developed white-light-emitting hydrogel, we will uncover the finely controlled law of their fluorescence properties. Their sensing applications will be then conducted. We propose to take advantage of the volatile organic compound (VOC) induced changes in fluorescence intensity ratio of red, green and blue-light-emitting fluorophores to construct a series of the preferred visible and ratiometric fluorescent probes for VOC. This research will broaden the list of fluorescent polymeric hydrogels, can promote the fabrication and sensing application of powerful fluorescent polymeric hydrogels.

荧光高分子水凝胶在分子识别、生物医用和传感检测等领域具有重要的理论和应用价值。与广泛研究的传统单色荧光高分子水凝胶相比，目前对白光高分子水凝胶的研究十分滞后，严重制约了其在多领域的应用。本研究拟利用“红、绿、蓝三原色合成白光”的色度学原理，将特别设计的蓝色荧光团和三联吡啶配体化学共聚到同一高分子交联网络中，通过调节不同稀土离子与三联吡啶间的竞争络合作用来控制水凝胶的红色和绿色荧光强度，获得三原色光谱复合形成的白色荧光，从而发展出一种结构和性能易于裁剪的白光高分子水凝胶的合成新方法；系统研究这种新材料的刺激响应性行为及机理，揭示其荧光性能的精细调控规律；继而开展传感检测研究，利用易挥发性有机污染物（VOC）等外界刺激对各发光中心微环境的影响来调控三原色的荧光强度比值，构筑高性能“可视化”和“比率型”VOC荧光探针。本研究将丰富荧光高分子水凝胶的种类和构建方法，为新型传感材料的发展提供新思路。

智能白光高分子水凝胶在传感检测、生物医用、智能显示、变色伪装、软体机器人等多领域具有非常重要的应用前景。然而，与广泛研究的传统单色荧光高分子水凝胶相比，目前对白光高分子水凝胶的研究十分滞后。针对这一现状，本项目开展了以下三方面的研究：(1)首先设计并合成了取代萘酰亚胺基蓝色荧光功能单体和稀土配位型红、绿色荧光功能单体，并分别将其化学共聚入不同高分子交联网络中，获得一系列分别发射红、绿、蓝色荧光的高分子水凝胶，并系统研究了其发光性能对各荧光单元含量的依赖性规律及在温度、pH等外界刺激下的荧光响应行为和机理。(2)在此基础上，利用“红、绿、蓝三原色合成白光”的色度学原理，发展“离子扩散诱导界面聚合”的材料制备新方法，构筑同时含有三原色荧光团的核壳结构白光高分子水凝胶，优化材料结构和组成，精细研究三原色荧光团在pH、温度等外界刺激下的差异化荧光响应行为和机理，并以此为指导来开展针对氨气等重要VOC的“比率型”和“可视化”荧光快检研究，研制适于海鲜新鲜度快检的荧光化学传感器。(3)创新荧光高分子水凝胶的材料结构设计，构建三原色荧光团独立分布在不同高分子交联网络中的智能白光高分子水凝胶新材料，并清楚揭示其三原色荧光团的发光强度在温度、pH、金属离子等外界刺激下的差异化荧光响应行为和机理，成功获得多重刺激响应性多色荧光转变，并据此设计仿生荧光变色伪装皮肤，初步实现商业化机器人在特定环境下的自适应伪装。总的来说，通过本项目研究，我们建立多种构筑白光高分子水凝胶材料的普适性方法，并开展了一些前瞻性的应用研究。希望本项目的研究成果能够吸引更多人对白光高分子水凝胶的研究兴趣，以助力白光高分子水凝胶的快速发展。