研究论文介绍

陕西师范大学房喻院士JACS: 激发态质子转移的分子内电荷作用调控及对芥子气模拟物检测

作者:石油醚

导读:

近日,陕西师范大学房喻院士团队以激发态分子内质子转移片段为受体结构,通过引入分子内跨空间电荷作用,发展了一种激发态质子转移的分子内电荷作用调控新机制。基于该策略所构建的荧光传感薄膜阵列实现了化学战剂芥子气模拟物的高灵敏区分检测。

“Precise Manipulation of Excited-State Intramolecular Proton Transfer via Incorporating Charge Transfer toward High-Performance Film-Based Fluorescence Sensing,

Ke Liu, Jing Zhang, Qiyuan Shi, Liping Ding, Taihong Liu, and Yu Fang

J. Am. Chem. Soc.,2023, ASAP.DOI: 10.1021/jacs.2c13843.”

正文:

作为入选2022年度IUPAC化学十大新兴技术之一,薄膜荧光传感器(FFSs)以其卓越的探测性能、优异的可集成性,以及低功耗和小型化等特征成为国际公认的新一代最具发展潜力的微痕量物质探测技术。其中,敏感薄膜材料创制和高性能化是获得高性能FFSs的关键,其核心又是高性能敏感单元的创制。理性设计、激发态过程精准调控是获得理想敏感单元,进而实现敏感薄膜的高性能化的主要途径。

图1. 激发态质子转移的分子内电荷作用调控策略

以激发态分子内质子转移片段为受体结构,通过引入分子内跨空间电荷作用,作者构建了一种激发态质子转移的分子内电荷作用调控新策略。基于该策略,作者依次改变供电子片段(萘,菲,芘),以增加分子内片段间耦合作用,进而精准操控体系的激发态过程。光谱学研究和理论计算表明,在光激发下,通过调节分子内非共价相互作用和溶剂极性,可以连续调控该分子体系的激发态质子转移和激发态分子内电荷转移,并实现不同时间尺度和不同方向的热力学和动力学操控。

此外,研究表明,该分子体系固态荧光行为仍以单分子态光物理过程主导,荧光发射可由绿色演化至红色,且保持优异的发光效率和光化学稳定性。此外,目标分子固有的立体结构赋予相关分子晶体独特的泡孔结构,泡孔直径可达4.0 Å,孔隙率超过30%,为高通透性敏感薄膜奠定了坚实的基础。研究表明,基于三种敏感单元发展的阵列型FFSs对2-氯乙基硫醚气体(芥子气模拟物)表现出灵敏、高选择、可逆传感特性,实验检出限低于50 ppb,响应时间小于5 s。以具有立体结构分子为基础,该工作所发展的以激发态分子内电荷转移(ESICT)调控激发态分子内质子转移(ESIPT)策略不仅仅丰富了荧光分子的激发态过程,获得了多样化荧光分子,而且为发展传质效率高、传感对象适应面广的多样化高性能荧光敏感薄膜材料提供了新的思路。

该成果近期发表于J. Am. Chem. Soc.,陕西师范大学为唯一署名单位。刘科博士为论文第一作者,房喻院士刘太宏副教授为共同通讯作者。

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