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作为入选2022年度IUPAC化学十大新兴技术之一，薄膜荧光传感器（FFSs）以其卓越的探测性能、优异的可集成性，以及低功耗和小型化等特征成为国际公认的新一代最具发展潜力的微痕量物质探测技术。其中，敏感薄膜材料创制和高性能化是获得高性能FFSs的关键，其核心又是高性能敏感单元的创制。理性设计、激发态过程精准调控是获得理想敏感单元，进而实现敏感薄膜的高性能化的主要途径。
图1. 激发态质子转移的分子内电荷作用调控策略
近日，陕西师范大学房喻院士团队以激发态分子内质子转移片段为受体结构，通过引入分子内跨空间电荷作用，发展了一种激发态质子转移的分子内电荷作用调控新机制。基于该策略，作者依次改变供电子片段（萘，菲，芘），以增加分子内片段间耦合作用，进而精准操控体系的激发态过程。光谱学研究和理论计算表明，在光激发下，通过调节分子内非共价相互作用和溶剂极性，可以连续调控该分子体系的激发态质子转移和激发态分子内电荷转移，并实现不同时间尺度和不同方向的热力学和动力学操控。
此外，研究表明，该分子体系固态荧光行为仍以单分子态光物理过程主导，荧光发射可由绿色演化至红色，且保持优异的发光效率和光化学稳定性。此外，目标分子固有的立体结构赋予相关分子晶体独特的泡孔结构，泡孔直径可达4.0 Å，孔隙率超过30%，为高通透性敏感薄膜奠定了坚实的基础。研究表明，基于三种敏感单元发展的阵列型FFSs对2-氯乙基硫醚气体（芥子气模拟物）表现出灵敏、高选择、可逆传感特性，实验检出限低于50 ppb，响应时间小于5 s。以具有立体结构分子为基础，该工作所发展的以激发态分子内电荷转移（ESICT）调控激发态分子内质子转移（ESIPT）策略不仅仅丰富了荧光分子的激发态过程，获得了多样化荧光分子，而且为发展传质效率高、传感对象适应面广的多样化高性能荧光敏感薄膜材料提供了新的思路。
图2. 该分子体系光物理行为、固态性质及薄膜态传感应用
该成果近期发表于J. Am. Chem.
Soc.，陕西师范大学为唯一署名单位。刘科博士为论文第一作者，房喻院士与刘太宏副教授为共同通讯作者。
全文详见：Precise Manipulation of
Excited-State Intramolecular Proton Transfer via Incorporating Charge Transfer
toward High-Performance Film-Based Fluorescence Sensing, J. Am. Chem. Soc.,
2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13843.
作者简介
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第一作者
刘科， 2019年获得理学博士学位（导师房喻院士），2020年3月至今于陕西师范大学从事博士后研究工作。目前研究方向：（1）激发态调控及相关光物理过程研究；（2）荧光分子材料体系构建与相关设备开发。以第一作者或通讯作者发表发表学术论文9篇，其中包括JACS, Nat. Commun., Anal. Chem.等刊物。先后主持国家自然科学基金委青年基金项目，博士后面上项目，中央高校基本科研业务专项项目。
通讯作者
刘太宏，2012年师从房喻院士获得工学博士学位，同年10月至2017年10月分别在美国中佛罗里达大学（UCF）和新泽西理工学院（NJIT）从事博士后研究工作。目前任职于陕西师范大学化学化工学院，主要研究领域为近红外双光子荧光探针的结构创新和性能优化，荧光传感薄膜材料的设计制备及器件化。迄今在Nat. Commun., Adv. Mater. Technol., Chem. Commun., Sens. Actuators B, ACS Appl. Mater. Interfaces，J. Phys. Chem. B/C等期刊发表学术论文50余篇。参与获得陕西省自然科学技术一等奖（2019年，排名7/11）和陕西省普通本科高校高等教育教学成果奖特等奖（2021年，排名7/9）。
通讯作者
房喻，陕西师范大学教授，中国科学院院士。现任国家教材委员会委员，国家高中和义务教育化学课程标准修订组组长，中国化学会常务理事，中国化学会应用化学学科委员会副主任，陕西省化学会名誉理事长，陕西省科普作家协会理事长，西安市科协主席。主要从事薄膜荧光传感器和分子凝胶研究。提出了用于敏感薄膜创新制备的单分子层化学策略、分子凝胶策略和组合设计思想，揭示了adlayer效应。发明了“叠层式”传感器结构，研制了爆炸物、毒品薄膜荧光传感器和探测装备。率先将分子凝胶研究拓展至凝胶乳液体系，突破了传统凝胶乳液分散相体积分数限制，发展了轻质高强高分子泡沫材料软模板制备工艺。融合分子凝胶理论，解决了凝胶推进剂雾化困难和高能量密度材料长期悬浮稳定化等关键问题。培养了包括全国百篇优博论文奖获得者、国家博新计划入选者、洪堡学者、JSPS学者，以及多名国家级人才计划入选者等在内的一批优秀人才。先后获得全国优秀教师、五一劳动奖章、全国先进工作者、中国软物质研究杰出贡献奖、宝钢优秀教师特等奖提名奖、国家级教学名师等荣誉或称号。课题组主页：http://yfang.snnu.edu.cn
原文链接
https://doi.org/10.1021/jacs.2c13843
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