用于神经毒剂检测的荧光聚合物传感薄膜的可控构筑及性能研究

This project involves a series of fluorescent conjugated polymers for the rapid, accurate and sensitive detection of nerve agents, as well as controllable preparation of the films based on above-mentioned fluorescent polymers. For materials, we select the Donor-Acceptor (D-A) type fluorescent molecules with the characteristics of the excited state of Hybrid-Locally-emissive and Charge-Transfer (HLCT) as the electropolymerization precursors based on the theoretical calculations. The sensitivity and selectivity of the fluorescent materials for nerve agents detection is improved by the switching effect of hybridization states, and the mechanism is clarified through further calculation and experiments. For controllable preparation of conjugated polymer films, the electrochemical method of tunable parameters was used. The electrochemical polymerizations were optimized for, the thickness, surface morphology and internal structure of the films, and the relationship between electrochemical parameters, films structure and films sensing performance was established. Finally, the practical application prospect of the polymer film is evaluated according to the self-built nerve agent sensing system. The smooth implementation of the project not only provides a new understanding of the excited state mechanism of organic functional materials and the preparation of functional polymer films, but also leads to an effective strategy for high-performance sensing problems of nerve agents.

本项目涉及一系列用于快速、精准、灵敏检测神经毒剂的荧光共轭聚合物，以及上述荧光聚合物薄膜的可控制备。材料设计方面，本项目通过理论计算预测，选择具有特定杂化局域-电荷转移（HLCT）激发态特征的给受体（D-A）型荧光分子作为电化学聚合前体，利用杂化态开关效应提高荧光材料检测的灵敏性和选择性，并通过进一步计算与实验明确材料检测机制。薄膜可控制备方面，本项目使用可调参数的电化学方法进行荧光共轭聚合物薄膜的制备。通过优化电化学聚合条件，定向调控薄膜的厚度、表面形貌与内部结构，明确电化学参数、薄膜结构以及薄膜传感性能等因素之间的关系，并测试其神经毒剂检测效果，进一步基于自建神经毒剂传感系统评估聚合物薄膜的实际应用前景。本项目的顺利实施不仅可以为有机功能材料激发态机制与功能聚合物薄膜可控制备提供新的认识，而且可以为神经毒剂的高性能传感问题提供有效解决手段。

神经毒剂又称为化学武器，是一类致命的有机磷化合物，其中包括沙林、梭曼以及塔崩等。有机磷化合物可以与人体内的乙酰胆碱酶发生不可逆的化学反应，导致乙酰胆碱堆积，从而麻痹中枢神经系统致人死亡，所以神经毒剂具有极高的毒性和致死率。.本项目旨选择与神经毒剂具有类似化学性质的氯磷酸二乙酯（DCP）为研究对象，拟获得具有快速响应、高灵敏性、高选择性、高稳定性和重复使用的荧光共轭聚合物薄膜。研究内容包括设计、合成对DCP具有特异性响应的D-A型电化学活性前体，并结合密度泛函理论深入研究其检测机理；进一步，通过电化学参数的调节，实现荧光共轭聚合物薄膜的可控制备；最后，将所获得的荧光共轭聚合薄膜用于DCP气体的检测，并基于自建DCP传感系统验证薄膜的实际应用性。.研究结果表明，以杂化局域电荷转移激发（HLCT）态理论指导设计合成前体分子，电化学方法制备的共轭聚合物薄膜，实现了DCP气体的超灵敏性检测。主要发现的观点和结果如下：（1）建立了具有HLCT激发态荧光材料的导向设计和结构调控的普适性方法，揭示具有HLCT激发态荧光材料检测DCP气体的机理；（2）将具有HLCT激发态的荧光材料作为电化学聚合前体，实现电化学方法可控制备荧光聚合物薄膜，明确了电化学参数、薄膜结构与薄膜传感性能之间的关系；（3）构筑了基于荧光共轭聚合物薄膜的荧光传感装置，实现对DCP气体的快速、高灵敏性和高选择性的检测。同时，拓展了HLCT态D-A分子在挥发性气体中的高灵敏性检测。.上述研究工作取得了一系列创新性和系统性的研究成果：以通讯作者和第一作者在Nature Communications、Advanced Functional Materials等杂志发表高质量论文SCI 7篇，EI 1篇，授权专利1项，参加国内外会议2次，培养硕士研究生5名，博士研究生1名。以上研究成果，对于理解和认识荧光材料检测DCP的激发态变化机制提供支撑，为理性设计高性能DCP荧光传感薄膜材料提供新思路。