2019年7月19日
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燕红、徐静娟课题组合作在碳硼烷基水相聚集诱导的电致化学发光材料方面取得最新进展

聚集诱导电致化学发光(Aggregation-Induced Electrochemiluminescence, AIECL)是近年来发展的一种将具有聚集诱导发光(AIE)性质的材料应用于电致化学发光的方法,特别是在固相及水相检测中。电致化学发光(ECL)相对于光致发光(PL)具有检测限低,灵敏度高、适用性广等特点,应用前景广阔。目前,大多数已发表的具有AIECL性质的材料大多属于阳极ECL,包括Pt配合物、Ir配合物、有机小分子、高分子纳米材料等,而应用于阴极ECL的材料仅限于量子点,如CdS、CdSe、ZnS等,但其高毒性、高污染性限制了其在生物检测中的应用。因此发展新型无毒的具有生物相容性的阴极ECL材料十分必要。

近期,化学化工学院燕红课题组设计合成了一系列D-p-A结构的碳硼烷基咔唑类衍生物,与徐静娟课题组合作测试其ECL性能,得到了能有效应用于pH 7.4磷酸缓冲溶液的阴极AIECL材料。通过测试对比不同水含量条件下的PL及ECL,观察到随着水含量的增加,相应的光致发光量子产率不断提升,具备了AIE的性质,同时,随水含量增加,形成的纳米颗粒粒径不断减小、形貌也从表面光滑的球形变成了多孔疏松结构使得其ECL效率在水含量95%的条件下极大提高,至此确定了碳硼烷咔唑衍生物具备阴极AIECL的性质(图1)。

图1.具有阴极AIECL性质的碳硼烷基咔唑衍生物

通过将化合物拆解分析,并与模板化合物对比,发现了结构与性质之间的关系,确立了碳硼烷取代基对该类衍生物氧化还原的重要作用以及对高效ECL的贡献。通过控制实验与电化学实验相结合,推测出五步反应机理,即化合物在电极上发生的两步还原反应的物种与共反应试剂生成的活泼自由基发生碰撞,产生化合物激发态,其回到基态的过程中,发生电化学发光现象(图2)。

图2. 碳硼烷咔唑化合物电致化学发光机理示意图

这项工作首次将具有AIE发光性质的碳硼烷衍生物用于电致化学发光研究,其测试条件的生物相容性为后续应用于生物体系的检测奠定了研究基础,而且填补了有机阴极ECL材料的空白,相关成果以Aggregation-Induced Electrochemiluminescence of Carboranyl Carbazoles in Aqueous Media为题最近发表在Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201900283。

以上研究工作由本校博士生魏星和朱梦娇为共同第一作者,燕红教授、芦昌盛副教授、徐静娟教授为共同通讯作者。研究得到了南京大学高性能计算中心的支持以及国家自然科学基金委的资助。

(化学化工学院 科学技术处)