本征型窄帶藍(lán)色室溫磷光材料及其在3D打印自監(jiān)測(cè)微流控芯片的應(yīng)用

更新時(shí)間：2024-11-13

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近年來(lái)，有機(jī)窄帶熒光材料收到研究者們的大量關(guān)注，這些材料在高分辨率成像、高質(zhì)量顯示、防偽加密、多通道傳感等領(lǐng)域具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。然而，本征型有機(jī)室溫磷光材料及其相關(guān)器件的開發(fā)卻鮮有報(bào)道，這是因?yàn)槿鄙儆行У恼瓗覝亓坠獠牧系脑O(shè)計(jì)策略及理論體系，以及其適合應(yīng)用的制備手段。因此，開發(fā)一種新型設(shè)計(jì)原則來(lái)實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定性好、易于加工的本征窄帶藍(lán)色室溫磷光材料，并開發(fā)相應(yīng)的傳感器件是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士和于濤教授團(tuán)隊(duì)成功地設(shè)計(jì)并合成了一系列新型窄帶發(fā)光分子吲哚并吩噻嗪衍生物，命名為Cphpz、1O-Cphpz和2O-Cphpz。該衍生物是通過(guò)引入碳碳單鍵使得分子逐漸平面化且具有剛性結(jié)構(gòu)后，再將吲哚并吩噻嗪衍生物摻雜到可用于光固化3D打印的高分子基質(zhì)丙烯酸羥乙酯-丙烯酸（HEA-AA）中。2O-Cphpz@HEA-AA體系表現(xiàn)出半峰全寬為36 nm和1.08 s的長(zhǎng)壽命磷光的現(xiàn)象。（圖1，圖2）此外，為了闡明產(chǎn)生窄帶磷光的內(nèi)部機(jī)制，團(tuán)隊(duì)對(duì)化合物進(jìn)行了單晶分析和密度泛函理論計(jì)算，并利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制備了一系列相關(guān)的精細(xì)模型與特別的光基微流控芯片。（圖3，圖4）

相關(guān)研究成果以“Intrinsic Narrowband Blue Phosphorescent Materials and Their Applications in 3D Printed Self-monitoring Microfluidic Chips"為題近期發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士和于濤教授為本文的共同通訊作者。

圖1. 磷光分子的設(shè)計(jì)策略，主要結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性質(zhì)。

圖2. 磷光分子在單分子態(tài)吸收及發(fā)射光譜，及其在摻雜態(tài)中的發(fā)射及延遲光譜。

圖3. 磷光分子相關(guān)的密度泛函理論計(jì)算，及其在聚合物中的磷光機(jī)制。

微流控芯片在許多生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，尤其在藥物篩選、診斷檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有特別的優(yōu)勢(shì)。微流控芯片通過(guò)精確控制流體在微米或納米尺度上的流動(dòng)，能夠高效地進(jìn)行液體處理、反應(yīng)和分析。其主要優(yōu)點(diǎn)包括高通量、高靈敏度和小型化等，使其成為分析實(shí)驗(yàn)中的重要工具。鑒于2O-Cphpz@HEA-AA體系的窄帶藍(lán)色室溫磷光的優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)探索了其在微流控芯片中基于濕度的用于路徑自監(jiān)測(cè)的潛在應(yīng)用，如圖4所示?；诖耍?span style="font-weight: 600;">研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)摩方精密nanoArch®P150（精度：25 μm）3D打印設(shè)備，打印了一套精度為200 μm的光基微流控芯片。

圖4. a. 團(tuán)隊(duì)所采用的光固化3D打印技術(shù)的原理圖；b. 制備的一系列3D打印的精細(xì)結(jié)構(gòu)模型及其窄帶磷光表現(xiàn)；c. 光基微流控芯片的制備策略及其實(shí)現(xiàn)液滴路徑自監(jiān)測(cè)的功能展示。

與大多數(shù)報(bào)道的濕度響應(yīng)熒光材料相比，研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的濕敏性室溫磷光材料的優(yōu)勢(shì)是發(fā)光壽命長(zhǎng)且能有效防止熒光背景的干擾，可進(jìn)行準(zhǔn)確清晰的監(jiān)測(cè)。尤其是特別藍(lán)色窄帶室溫磷光的信號(hào)，它具有更好的頻譜選擇性、更高的分辨率和更長(zhǎng)的發(fā)射壽命，可以進(jìn)一步降低背景干擾。如圖4所示，整個(gè)微流控芯片在注入液滴之前，在紫外光激發(fā)下能表現(xiàn)出明亮的藍(lán)色磷光。然而，當(dāng)液滴從不同的注入口注入時(shí)，液滴流經(jīng)的路徑上，藍(lán)色磷光會(huì)被水分子猝滅而明顯消失。與此同時(shí)，針對(duì)不同流量（20 µL與30 µL）導(dǎo)致的路徑終點(diǎn)差異，該微流控芯片也能基于磷光信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)測(cè)。

這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)窄帶室溫磷光材料提供了一種簡(jiǎn)單有效的策略，且為此種材料開辟了新的平臺(tái)，促進(jìn)其在高分辨率3D打印傳感、多層信息加密等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省杰出青年科學(xué)基金和中央高校研究基金的支持。