● 摘要
摘要 近年来，固体表面化学单层组装多环芳烃类化合物薄膜的设计、制备和性能研究日益受到人们的重视。这是由于这些化合物与其他化合物不同，在结构上易于修饰，在发光性能上量子产率和内在荧光各向异性都比较高，具有显著的应用开发前景。当此类薄膜置于溶液或气相时，薄膜的荧光强度、激发发射光谱、荧光各向异性以及荧光寿命等均会因环境性质的改变或待测物的存在以及浓度的变化而发生变化，因此，通过监测薄膜荧光性质的变化，可以获得待测物存在与否和存在浓度等信息，实现对环境性质的传感。一般来讲，作为荧光传感器，这些薄膜具有灵敏度高、选择性好、可采集信号多、易于器件化等优点。
多年来，本实验室一直致力于多环芳烃类荧光小分子在固体基质表面的化学单层组装方法及其光物理性质和传感性能的研究工作，设计制备了一系列多环芳烃修饰的有机功能薄膜，着重考察了所制备薄膜的传感应用性能。到目前为止，基于物理旋涂、化学单层自组装等技术，以壳聚糖膜和玻璃等材料为固体基质，选用对环境极性敏感的荧光小分子芘等多环芳烃的衍生物为传感元素，制备了一系列具有不同结构特点的多环芳烃修饰荧光薄膜材料，实现了对水的综合品质、水体中亚硝酸盐、乙醇/甲醇/水等溶剂中硝基甲烷、水体中二元羧酸的有效检测。在研究中我们发现，表面化学单层组装多环芳烃的光物理性质对薄膜结构和环境因素变化有很大的依赖性，而这种依赖性无疑会影响其传感性能的发挥。因此，深入研究基质表面单层组装多环芳烃的光物理行为对薄膜微环境的依赖性，对于深入理解此类荧光薄膜的传感本性，改善已有薄膜的传感性能，拓宽新型传感薄膜的设计思路都具有十分重要的理论和实践意义。
基于本实验室已有的工作基础和对他人工作的文献调研，本论文通过变换荧光传感元素，采用不同固体基质，调节连接臂的长度、柔性、亚结构，引入不同比例、不同分子形状的混合组份，设计、制备了一系列具有不同环境结构特点的新型荧光薄膜材料。本论文旨在利用各种光物理技术深入研究基质表面束缚态荧光小分子的光物理性质，获得固定化荧光小分子微环境的极性、粘度，膜内分子的构象、排列方式、堆积密度以及探针分子自身的存在状态等信息，考察其光物理性质和传感性能对微环境因素的依赖性，加深对界面现象的理解，从而指导新型荧光传感薄膜材料的设计、制备和开发，为基于多环芳烃单层组装薄膜传感器的阵列化和芯片化奠定基础。
本论文主要开展了以下几个方面的工作：（1）以高分子膜为基质，丹磺酰为传感元素，经由短链柔性臂连接的荧光小分子修饰功能薄膜的制备、光物理性质和传感性能研究；（2）以玻璃为基质，丹磺酰为传感元素，基于表面自组装单层膜功能化末端化学结合，含有不同亚结构，经由长链柔性臂连接的荧光小分子修饰功能薄膜的制备、光物理性质和传感性能研究；（3）以石英、硅片、ITO玻璃、金为基质，芘的不同衍生物为传感元素，胆固醇为共存组分，基于同样的表面自组装单层膜功能化末端化学结合，经由长链柔性臂连接的芘/胆固醇双修饰功能薄膜的制备、光物理和电化学性质研究。
在第一部分工作即本论文的第二章中，通过丹磺酰氯与壳聚糖膜所富含的氨基功能团之间的表面化学反应，制备得到了以壳聚糖膜为基质经由酰胺键短臂连接的丹磺酰固定化薄膜。作为传感元素的丹磺酰由于在结构中同时含有电子给体和电子受体基团，而具有分子内电荷转移特性，受光激发后能够发射双重荧光。其电荷转移激发态衰减发射的荧光对环境的极性非常敏感，其最大发射波长随着环境极性的增大而红移。因此，本部分工作详细地研究了固定化丹磺酰分子内电荷转移态的荧光发射行为，并考察了其传感应用性能。
静态荧光光谱表明，丹磺酰修饰壳聚糖膜在乙醇、水和空气中具有不同的荧光发射光谱形状：其在乙醇中，最大发射波长出现在460 nm处，而在长波区一端有肩峰出现；而在水中时，发射峰的最大发射波长红移至505 nm处，峰形的对称性明显改善；处于空气中时，最大发射波长则出现在480 nm处，而在460 nm处有个强度相对较小的肩峰存在。初步表明壳聚糖膜表面固定化丹磺酰的双重荧光发射性质得到了保持，一个是位于460 nm处的非电荷转移态（non-CT态或LE态）发射带和处于长波区的电荷转移态（TICT态）的发射带。时间分辨荧光光谱和荧光寿命测定均证实了两种发射带的存在，同时还发现了贡献较小的延迟荧光的存在。而对丹磺酰修饰壳聚糖膜在不同比例的乙醇/水混合溶剂中的静态荧光发射光谱的研究中发现，其在460 nm处的non-CT发射带位置不随混合溶剂极性的变化而改变，但其相对荧光强度却随着极性的增大而降低，而其处于长波区TICT发射带的最大发射波长随着混合溶剂中水分的增多而逐渐红移至纯水环境中的505 nm处，其相对强度也不断增大。数据分析发现丹磺酰修饰壳聚糖膜在505 nm处与460 nm处的荧光强度比值（I505/I460）与乙醇/水混合溶剂的比例有着很好的线性关系，只是当水含量超过40%后，功能膜对混合体系组份变化的灵敏度有所降低，但线性关系仍得到保持。
当将功能膜放入非质子性混合溶剂（乙腈和二氯甲烷）体系中时，其双重荧光发射带的光谱形状以及荧光强度比值并不随混合溶剂组份的变化而变化，这是因为壳聚糖膜在两种二元混合体系中的溶胀性不同，在乙醇/水的二元体系中，其溶胀性很好，而在乙腈/二氯甲烷体系中，溶胀性较差。因此，在乙醇/水中，丹磺酰中的二甲氨基有足够的空间自由旋转，这也正是丹磺酰发射TICT 荧光的前提条件。而与此相反，二甲氨基的旋转在乙腈/二氯甲烷混合体系中因受到限制而无法有效发射TICT荧光。这一结果证明了基质选择与多环芳烃自身性质的密切关系，同时赋予了该丹磺酰修饰壳聚糖膜在对乙醇/水体系混合组份的定性和半定量测定中的选择性应用。
在论文的第二部分工作即本论文的第三章和第四章中，则以刚性玻璃为基质，继续选用丹磺酰作为传感元素，通过丹磺酰乙二胺和丹磺酰二乙三胺两种不同衍生物与玻璃基质表面预形成的自组装单层膜末端环氧基功能团间的表面化学反应，分别制备了经由长链柔性臂连接的含有不同亚结构的两种丹磺酰修饰自组装单层膜。接触角测定、X-射线光电子能谱（XPS）测定结果均表明在两种薄膜的制备中，丹磺酰衍生物成功地化学结合到了自组装单层膜表面。但在对两种丹磺酰修饰自组装单层膜在不同溶剂中的静态荧光光谱研究中发现，连接臂长度和亚结构的不同导致了两种膜对溶剂极性响应的不同。例如，前者在弱极性和非质子性溶剂中仍能发射双重荧光，但在极性质子性溶剂中则主要以其TICT激发态的荧光发射为主；而后者无论在极性质子性溶剂还是弱极性非质子性溶剂中都只发射TICT荧光。另外，前者的TICT发射带最大发射波长对介质极性的敏感性得到了很好的保持，其与所测溶剂的极性参数ET(30)值之间具有很好的线性关系，可用于溶剂极性的无损测定；而后者的最大发射光谱仅随质子性溶剂极性的变化呈现一定的规律性变化，对非质子性溶剂极性的变化则无规律性响应。
同时，在运用各种荧光猝灭技术对丹磺酰修饰自组装单层膜传感性能的研究中发现，连接臂的长度、柔性所导致的传感元素在表面的存在状态以及亚结构的功能性均能影响功能膜的传感性能。这一部分工作中分别考察了前一种膜对硝基苯类化合物和后一种膜对金属离子的传感性能。在对前者的猝灭实验中发现，水溶液中硝基苯的存在能够有效快速地猝灭功能膜的荧光发射，而其它一些常见猝灭剂如CH3NO2、NaNO2、KI、丙烯酰胺等对功能膜的猝灭效率却很低或根本无猝灭作用。这一结果表明水体中弱极性的硝基苯比其它中性类或极性类猝灭剂更容易接近膜表面的丹磺酰传感元素。这可用本实验室最近提出的“连接臂层屏蔽效应（Spacer-Layer Screening Effect）”来解释。由于连接丹磺酰和基质的连接臂为柔性长臂，并在结构中同时含有疏水烷基和亲水氨基，当膜处于水体相时，连接臂中的疏水烷基将向内层弯曲，而亲水氨基向外层伸延，因此弱极性的丹磺酰则可能被包埋于疏水性的连接臂内层。这样，只有弱极性的硝基苯类化合物才能有效进入连接臂内层而接近丹磺酰，猝灭其荧光。这一假设得到了不同极性溶剂中荧光各向异性和荧光猝灭实验结果的证实。膜表面丹磺酰在水中的荧光各向异性值为0.27，而在乙酸乙酯和乙醇中的荧光各向异性值分别为0.24和0.22，表明膜表面的丹磺酰在水体中的运动性最小，即其活动最受限制，而在较弱极性环境中，丹磺酰所受束缚有所降低，而这与弱极性连接臂层在弱极性溶剂中容易伸展，对所包埋的荧光传感元素束缚作用减小的预期结果相一致。另外，对硝基甲烷在不同溶剂中对功能膜的荧光猝灭研究发现，其在乙醇中的猝灭效率最大，而在水中的猝灭效率最小，同样证实了在极性溶剂中由于连接臂的弯曲簇集包埋，阻止极性猝灭剂对荧光传感元素的接近而降低其猝灭效率。基于荧光寿命测定的动态荧光猝灭实验表明硝基苯对膜表面丹磺酰的荧光猝灭在本质上属于静态猝灭，说明基质表面固定化丹磺酰与水溶液中的硝基苯形成了非荧光复合物，这可用硝基苯类化合物与丹磺酰间的p-p相互作用来解释，而二者间p堆积复合物的形成有助于二者间电子转移的有效进行，进一步促进硝基苯类化合物对功能膜的猝灭能力。因此该功能膜能有效地传感水相中的硝基苯类化合物。
在后一种膜中，连接臂的亚结构中含有多胺基团，其可有效地捕捉环境中的金属离子，促进金属离子对功能膜的猝灭作用。荧光猝灭实验表明，该膜荧光能被水体中的二价铜离子有效快速的猝灭，并如预期的一样，相对于本实验室前期工作中运用乙二胺作为金属离子的结合基团的功能膜，这一薄膜对Cu2+要敏感得多。此外，Pb2+、Zn2+、Ni2+、Co2+等对此膜的荧光猝灭效率都要远远低于Cu2+。这一结果可归因于Cu2+的顺磁性及其强的猝灭能力。猝灭实验还发现醋酸根、柠檬酸根、酒石酸根等有机阴离子的存在能显著增强金属离子对薄膜荧光的猝灭效率。也就是说有机铜盐的猝灭效率大大高于无机铜盐的猝灭效率。这同样可以用“连接臂层屏蔽效应”来解释。与前一薄膜相似，丹磺酰同样是经由柔性长臂固定化在基质表面且连接臂更长。因此当将该膜置于水相时，其连接臂由于结构内疏水性亚甲基的增多，更容易在固体基质和本体溶液之间形成弱极性的“连接臂层”，并将弱极性的丹磺酰分子包埋于“连接臂层”内。这样，该“连接臂层”有效地屏蔽了无机阴离子的进入，而有机阴离子则可以有效进入该层并由于静电引力的作用使金属离子在内层富集，从而提高金属离子的猝灭效率，使得有机铜盐的猝灭效率高于无机铜盐。
在第三部分工作即本论文的第五章和第六章中，在薄膜的设计中引入了大体积不规则基团—胆固醇分子，选用传感信号更加丰富且对环境极性更加敏感的芘作为传感元素。通过对芘单独修饰和芘/胆固醇双修饰功能膜的光物理性质和电化学性质的比较研究，考察了胆固醇的存在对单层膜表面化学修饰多环芳烃存在状态的影响。本部分工作中，以石英、硅片、ITO玻璃和金表面为固体基质，芘的两种衍生物—芘甲基胺和芘磺酰基乙二胺为传感元素，继续采用环氧基末端的自组装单层膜对功能基团进行固定化，制备了两种芘/胆固醇双修饰荧光功能膜。XPS测定表明芘和胆固醇均成功的化学结合于薄膜表面。接触角的测定结果显示了胆固醇的存在导致了芘修饰薄膜层有序度的降低。椭圆偏振光度法所测定的薄膜厚度数据则发现胆固醇的存在会有效地减小芘固定化所引起的膜厚度的增加。在前一工作中，当只有芘结合于薄膜表面时，膜厚大约增加4 Å，而当同时引入胆固醇时，膜厚度几乎没有增加，而后一工作中，由于胆固醇的引入，芘固定化所引起的膜厚度增加由12 Å降低到5 Å左右，这表明胆固醇的存在极大地影响了芘在膜表面的存在状态，这很可能是由于二者间的疏水相互作用导致二者间的簇集，并迫使其长的柔性连接臂发生弯曲，形成与本论文第二部分工作中发现的相类似的“连接臂层”。溶剂效应研究进一步证实胆固醇的存在所引起的芘在膜表面存在状态的变化所形成的连接臂层部分地屏蔽了溶剂极性对芘发射光谱的影响，芘/胆固醇双修饰功能膜的单体荧光发射I1/I3比值在不同极性溶剂中的变化程度比芘单独修饰功能膜的变化程度小。静态荧光光谱测定发现胆固醇的引入有效地减小了芘激基缔合物的形成，表明胆固醇衍生物在与单层膜末端的环氧基的表面化学反应过程中与芘衍生物竞争反应位点，而导致芘在基质表面的固定化密度降低，引起芘激基缔合物形成效率的降低。这一结果得到了电化学测定的证实。通过对ITO表面相同化学结构的芘单独修饰和芘/胆固醇双修饰薄膜的循环伏安测定，对氧化电流峰下氧化还原过程中所转移电荷的计算，测得二者表面芘的固定化密度，同样发现，大体积不规则形状基团—胆固醇的引入，大大降低了芘在表面的固定化密度。
虽然胆固醇在两种芘衍生物修饰的功能膜中表现出很多相类似的影响，如对膜厚、芘在表面存在状态和固定化密度等，但两种芘/胆固醇双修饰膜因芘衍生物自身的不同也反映出对膜的制备、膜的光物理性质的影响。例如，在胆固醇存在的情况下，前者即使表面化学反应24小时，其表面激基缔合物的形成效率也非常小，而后者在表面化学反应3小时后，就能呈现出明显的激基缔合物荧光发射。
通过对三种类型五种不同结构、组成的化学单层修饰的多环芳烃薄膜材料的表面性质、光物理性质及传感性能的研究，获得了关于基质载体特性、连接臂的长度、柔性和亚结构、荧光物种的结构特性、混合组分的尺寸和形状等微环境因素对固体基质表面化学单层组装多环芳烃的光物理性质和传感性能的影响信息，这些信息必将有助于在未来工作中设计制备出性能更加优异的荧光传感薄膜材料。
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