AIE與FRET的巧妙結合實現增溶位置的納米級測定

表面活性劑作為當今應用最廣的增溶劑之一,被廣泛用於環境修復、清潔去污、原油開采、催化、分析檢測、藥物輸送和乳化聚合等領域。被增溶物質在表面活性劑膠束中所處的增溶位置對實現以上各種增溶應用至關重要。目前,主要是基於建立“極性探針信號-膠束微環境極性區域”關系來測定被增溶物質在膠束中的增溶位置。由於極性探針響應性能的差異和膠束微環境極性的不確定性,會使該方法的測定結果出現矛盾。同時,對於極性相近的探針,目前的測定方法難以對其增溶位置進行精細的比較。

為解決這一測定難題,北京化工大學呂超教授研究團隊結合聚集誘導發光(AIE)和熒光共振能量轉移技術(FRET),設計瞭一種不涉及探針極性和膠束微環境的全新高精度測定方法。相關成果以“Measurement of Solubilization Location in the Micelles Using Anchored Aggregation-Induced Emission Donors”為題,發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, https://doi.org/10.1002/anie.202005085)。

以AIE為核的膠束結構

首先將AIE發光團四苯乙烯(TPE)共價修飾到陽離子表面活性劑十烷基三乙基溴化銨(C10TEAB)的尾端,合成表面活性劑TPE-C10TEAB。透射電子顯微鏡、動態光散射和理論計算的結果表明,TPE-C10TEAB能夠在水中形成直徑約為5 nm的球型膠束,TPE發光團被錨定在膠束中心 (圖1)。

AIE與FRET的巧妙結合實現增溶位置的納米級測定

利用FRET距離公式測定增溶位置

不同於聚集熒光淬滅(ACQ)發光團,TPE在膠束核心聚集會增加其熒光量子產率,發出強烈的青色熒光。利用高效發光的聚集態TPE作為FRET供體、被增溶物質作為FRET受體,通過已知的FRET距離公式可以精準地計算出FRET供體-受體間納米級的距離,從而在納米尺度上測定出被增溶物質的增溶位置 (圖2)。即使被增溶物質的性質相近,也可對其在膠束中的增溶位置進行精細的比較。整個測定過程不受探針極性和膠束微環境的幹擾。此外,通過比較被增溶物質性質和增溶位置可知,被增溶物質在膠束內部的增溶位置取決於其尺寸大小;而位於膠束表面的尺寸較大的被增溶物質,其增溶位置則取決於其疏水性。

AIE與FRET的巧妙結合實現增溶位置的納米級測定

多色、白色發光溶液和凝膠

通過調控被增溶物質的FRET行為,可以輕松構建多色和純白色的發光溶液。利用瓊脂糖凝膠促使膠束納米粒子快速固定,能夠保持膠束溶液態的發光特性,制備出多色和純白色的發光凝膠 (圖3)。

AIE與FRET的巧妙結合實現增溶位置的納米級測定
圖3. (a) 多色發光溶液和凝膠, (b) 白色發光溶液和凝膠, (c) 白色發光溶液CIE坐標, (d) 白色發光凝膠CIE坐標

綜上所述,基於該研究建立的“被增溶物質性質-增溶位置-膠束微環境”關系,不僅能夠幫助更好地理解被增溶物質性質與增溶位置之間的關系,為增溶應用提供強有力的理論指導;也為進一步開發膠束潛在應用和設計簡單高效的增溶劑提供瞭新的研究方向。

本文第一作者是化學學院管偉江副教授,第二作者是碩士研究生楊婷婷(導師是管偉江副教授),通訊作者是呂超教授,北京化工大學為唯一完成單位。本研究工作得到瞭國傢自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助。

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