基于聚集诱导发光原理研究三苯胺醛-丙二腈复合物的电化学发光效应

纪 宇，陆 瑶，贾能勤

（上海师范大学化学与材料科学学院，上海 200234）

0 引言

聚集诱导发光（AIE）是最早于2001年被报道的一种新的光物理现象，主要是指发光物质在稀溶液中是弱发射或非发射的，但在聚集状态下表现出强的光发射现象［1-4］.在稀溶液中，AIE分子内部存在着活跃的振动和转动，当这些分子吸收能量后，各种振动和转动把能量消耗之后导致发光减弱［5-8］.而当这些分子呈聚集状态时，互相的牵制作用导致分子内部的运动受到限制，使得能量消耗较少造成荧光增强的现象，该现象称为AIE［9-11］.这一机理的发现为高效发光材料的设计和合成提供了新的思路，同时也对一些发光材料的发光过程提供了新的见解［12-13］.

电化学发光（ECL）是由电生物质之间的高能电子转移反应产生的光发射，主要应用于生物传感器、有机发光二极管和食品分析等领域［14-16］.已有越来越多关于AIE和ECL的研究，即聚集诱导的电子发光（AIE-ECL），通过超分子相互作用（例如氢键和π-π堆积作用），可以使发光化合物发生分子聚集，从而提高该发光试剂的ECL强度［17-18］.AIE-ECL不仅可以更清晰地解释AIE的机理过程，同时还为新型ECL传感器及新型ECL探针的设计合成开辟了新的途径.一般情况下，能够产生AIE-ECL效应的发光材料，在分散状态下显示出较弱的ECL信号，而通过聚集之后的发光体，处于聚集状态时能够检测到非常明显的ECL信号.因此，通过超分子识别或氢键等作用对化合物进行聚集，从而触发化合物的AIE-ECL效应，对于寻找新的AIE分子至关重要［19-23］.WEI等［21］设计合成了一系列D-π-A结构的碳硼烷基咔唑类衍生物，通过对其ECL性能的测试，得到了能有效应用于pH=7.4的磷酸缓冲溶液的阴极AIE-ECL材料.GAO等［24］设计合成了第一例表现出AIE-ECL效应的环金属铱化合物，该化合物是通过π-π堆积和氢键的作用在二甲基亚砜-水（DMSO-H2O）溶液中进行超分子组装，形成粒径约为120 nm的纳米粒子.JIANG等［25］报道了四苯基乙烯微晶在水溶液中具有显著增强的聚集诱导ECL性质.这些AIE-ECL材料的共同点都是通过对有机化合物进行超分子组装形成的，这主要是由于有机化合物的种类繁多、可调性好、色彩丰富、色纯度高、分子设计相对比较灵活.它们多带有共轭杂环及各种生色团，结构易于调整，通过引入烯键、苯环等不饱和基团及各种生色团来改变其共轭长度，从而使化合物光电性质发生变化［26］.

本研究设计合成了三苯胺醛-丙二腈（MT）化合物，基于三苯胺醛与丙二腈之间进行反应形成一个推拉电子产物，该产物荧光强度低，ECL信号弱，并研究了其在水/二甲基亚砜（H2O/DMSO）体系和牛血清蛋白（BSA）体系中的AIE-ECL效应.MT在水溶液中的溶解度非常低，用不同配比的H2O/DMSO来进行分散时，在体系中聚集的程度不同，含水量越高，聚集程度越明显，荧光现象越强，ECL信号越来越强.同时，BSA本身具有疏水和亲水基团，BSA与有机物混合时，疏水部分将复合物包裹在一起，限制其分子中基团的振动和转动，从而增强MT化合物的ECL.本实验成功证实了通过BSA体系进行聚集诱导也能够观察到非常明显的聚集诱导荧光增强效应及ECL增强效应.因此，通过本实验将聚集诱导效应和ECL相结合，为ECL探针的研究提供了新的思路.

1 实验

1.1 实验试剂

实验使用的所有试剂均为分析纯等级.哌啶、丙二腈、二甲基亚砜（DMSO）均购买自Sigma-Aldrich公司；三苯胺醛和戊二醛购买自上海阿拉丁生化有限公司；BSA购买自Bovogen公司；实验过程中的用水均为二次超纯水.

1.2 实验仪器

使用F-7000荧光光谱仪和紫外-2250分光度计（日本岛津）对聚集状态分子进行荧光和紫外测试；使用电化学工作站（上海辰华CHI660）检测ECL信号.

1.3 MT的合成

首先在圆底烧瓶中加入2.0 g三苯胺醛和1.2 g丙二腈，接着在圆底烧瓶内注入450 μL哌啶和80 mL四氢呋喃，在氮气（N2）氛围的保护下回流24 h.通过旋转蒸发仪除去溶剂得到固体混合物.得到的混合物通过层析过柱分离出纯净的MT产物，合成路线如图1所示.取0.2 g MT于20 mL BSA溶液中，磁力搅拌3 h，最终得到BSA包被的MT产物.取0.1 g的MT依次加入到不同体积比的H2O/DMSO的混合溶液中，水的体积分数分别为0%，20%，40%，60%，80%，90%，震荡1 h之后得到不同聚集状态的MT产物.

图1 MT的合成路线

2 结果与讨论

2.1 BSA聚集诱导体系

MT稀溶液中检测不到荧光发射和ECL现象，因此在实验过程中首先考虑用BSA来进行聚集.由于BSA本身有疏水和亲水基团，疏水部分将MT包裹在一起，这样的包裹导致单个MT分子被聚集在一起.图2（a）是聚集状态下的扫描电子显微镜（SEM）图，可以看到，MT在体系中被聚集成尺寸较为均一的球状小颗粒，证明BSA对MT有较好的聚集作用.此外还对聚集状态下的MT进行了荧光倒置显微镜拍摄，实验结果如图2（b）～2（d）所示，在倒置显微镜下可以看到与SEM差不多的效果，在不同的激发波长下（300，350和500 nm）观察到BSA聚集的MT发射出不同波长，且较为明显的荧光现象.因为分子有多个激发态，因此会有不同的激发途径和衰减途径，不同波长的光激发到的激发态不同，衰减机理也不同，因此发射光谱也不同.

图2 对比最优条件下BSA聚集的MT的形貌及荧光图谱.

为了进一步验证聚集状态下的MT比单个分散状态下的MT有明显的荧光增强效果，对两种状态下的MT进行了荧光发射测试，实验结果如图3所示.图3（a）是紫外-可见吸收光谱图，可以看到MT在350 nm左右有明显的紫外吸收；图3（b）是在350 nm的紫外激发波长下，分别对分散状态下和聚集状态下的MT的荧光发射测试，可以看出在分散状态下，MT表现出非常低的荧光发射强度，而在聚集状态下，MT表现出非常强的荧光发射强度.因此，通过对MT的聚集可以有效地增强MT的荧光发射.分散状态下的MT检测不到ECL信号，而聚集状态下能够检测到明显的ECL信号，如图4（a）所示.考虑到有机物在体系中电子转移能力比较弱，在检测体系中加入少量的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），如图4（b）曲线B所示，可以观察到明显增强的ECL信号，可能是由于CTAB可以和离子及非离子物质进行配合，使发光物质和共反应剂过二硫酸钾（K2S2O8）之间更容易发生电子转移，导致信号增强［21］.

图3 MT的实验表征.（a）MT的紫外-可见吸收光谱；（b）BSA聚集MT的荧光发射光谱

图4 MT的电化学发光信号图.

2.2 H2O/DMSO聚集诱导体系

实验中还用不同体积比的H2O/DMSO对MT进行聚集，发现不同含水体系中MT的荧光强度和ECL信号有较大的差别，实验结果如图5所示.当H2O/DMSO体系中H2O体积分数为0时，在350 nm的波长下观察不到任何荧光发射现象；当体积分数增加至20%时，仍然检测不到荧光；随着体系中的体积分数增加至40%时，能观察到少量的荧光现象，说明此时体系中的MT发生了聚集；体积分数至60%时，体系中开始出现较多的荧光物质；在80%和90%时出现大量的聚集物，荧光发射较强；在90%下，MT被聚集成尺寸均匀的长方体形，如图6所示.

图5 不同含水体系中MT的荧光图

图6 90%含水体系下的MT聚集荧光图

为了更进一步说明荧光增强效果，对不同含水体系下的MT进行了荧光分析测试发现，随着水的体积分数从0增加至90%，荧光强度也在不断增强，如图7（a）所示，但是随着体积分数的增加，荧光发射发生了蓝移，可能是由于体系中水分的增加，MT分子之间以氢键进行聚合形成聚集大分子所致.此外还对60%和90%的含水体系中的MT进行了ECL测试，结果如图7（b）所示，可以看到随着体系中水的体积分数的增加，ECL强度也在增强，这与荧光变化相同.因此，综合对荧光和电化学发光的分析发现：在不同含水体系中，MT分子能产生AIE-ECL效应.

图7 不同含水体系荧光图谱以及电化学发光图.（a）不同含水体系中MT的荧光强度；（b）ECL强度（-0.2～1.5 V）

3 结论

本研究主要基于AIE原理设计合成了MT，并研究了该物质的荧光效应和ECL.AIE主要是通过抑制分子内部的振动和转动从而抑制能量的损失.在H2O/DMSO体系和BSA体系中，MT具有荧光增强效应.用不同体积比的H2O/DMSO来溶解时，在体系中聚集的效果不同，随着水的体积分数的增加，荧光效应越来越强，ECL强度也在逐步增强，符合实验的预期.同时，BSA本身具有疏水和亲水基团，BSA与MT混合时，疏水部分将复合物包裹在一起，限制其分子中基团的振动和转动.实验成功证实了通过BSA体系进行聚集诱导也能够观察到非常明显的聚集诱导荧光增强效应及ECL增强效应.因此，通过将聚集诱导效应结合ECL，为ECL探针的研究提供了新的思路.