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廣工閔永剛教授團隊等Biosens. Bioelectron.：柔性AIE/PCM復合纖維用于酒精生物傳感、熒光防偽和人體熱管理

2024-09-25 來源：高分子科技

生化物質的檢測對于基礎生物學研究、人體健康監測和臨床診斷具有重要意義。熒光檢測具有可視化、靈敏度高、響應速度快、操作簡單等優點，可以用于檢測和分析生化物質。然而，傳統熒光材料在高濃度或固態下存在聚集誘導淬滅問題，阻礙了其實際應用。具有聚集誘導發光（Aggregation-induced Emission, AIE）特性的熒光分子可以應對該問題而被廣泛應用。酒精傳感作為一種重要的檢測技術，在酒精戒斷治療、健康監測、臨床試驗等生物醫學領域發揮著至關重要的作用。然而，利用AIE熒光分子進行有效的酒精傳感仍然存在空白。此外，生物傳感材料通常與人體皮膚貼合，因此熱管理性能的加入可以提高人體舒適性。對此，相變材料（Phase-change material, PCM）可以實現這一功能。AIE/PCM復合材料由于其在生物傳感領域的巨大應用潛力而具有研究價值。

近日，廣東工業大學閔永剛團隊聯合香港中文大學（深圳）唐本忠團隊將AIE熒光材料和PCM結合并制備了一種具有酒精傳感性能、熒光圖案刻畫特性和人體熱管理功能的復合纖維膜。在這項研究中，作者首先合成一種表面負載SiO₂顆粒的六方氮化硼（SiO₂@h-BN）來提高其溶劑分散性并用作導熱填料（圖1a）；再以聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合高分子材料為纖維基材，以芘基AIE分子（Py-CH）為熒光功能材料，以聚乙二醇（PEG）為相變熱管理材料，通過靜電紡絲技術制備具有形狀穩定性的多功能復合纖維膜（圖1b）。

圖1. AIE/PCM復合纖維膜的制備示意圖

Py-CH化合物是一種典型的具有給電子-受電子結構的有機AIE分子。其中，芘為吸電子基團，色烯為給電子基團，可以進行分子內電荷轉移。Py-CH化合物的加入賦予了復合纖維膜以神奇的極性紅移響應性能。為了進一步探究其紅移響應機理，作者使用不同極性溶劑（按極性排列依次為：正己烷、氯仿、DCM、THF、乙酸乙酯、乙醇、H₂O、DMF）滴加到纖維膜上，并記錄PL光譜和熒光顏色變化。結果表明，隨著溶劑極性的增加，纖維膜的PL光譜表現出從非極性溶劑到極性溶劑的紅移發射（圖2b）。這種現象歸因于Py-CH的扭曲分子內電荷轉移（Twisted Intramolecular Charge Transfer, TICT）機制（圖2j）。然而，極性較大的H₂O不能使纖維膜的熒光發生紅移，這是Py-CH在水中的弱溶解性造成的。在眾多溶劑中，復合纖維膜因其對酒精表現出較為明顯的熒光紅移（圖2e-f，PL光譜由497 nm紅移至547 nm）以及由外往內的特異輻射恢復途徑（圖2i）而在酒精傳感應用中表現出巨大潛力。此外，熒光可恢復特性使得纖維膜在酒精傳感應用中的重復使用成為可能（圖2k）。

圖2. AIE/PCM復合纖維膜對酒精的可恢復性熒光傳感性能

作者發現該復合纖維膜還具有熒光圖案刻畫性能和變溫熒光性能。纖維膜可以通過簡單的模板法輕松獲得精細的熒光圖案（圖3a-b）。這表明復合纖維膜在柔性熒光防偽方面具有很好的應用潛力。此外，由于復合材料具有強吸水性的PVP和具有TICT機制的Py-CH，復合纖維膜還表現出變溫熒光性能（圖3c）。

圖3. AIE/PCM復合纖維膜的熒光圖案刻畫及變溫熒光性能

PCM的加入還使得熒光傳感纖維膜具有人體熱管理性能。DSC測試結果表明纖維膜具有87 ~ 90 J / g的儲能密度和優異的循環使用穩定性（圖4a-d）。這說明纖維膜不僅解決了PEG的相變泄漏問題，還成功保留了其相變熱管理特性。SiO₂@BN導熱填料的加入也使得纖維膜的導熱性能有所提高，從而優化其熱管理性能（圖4f）。為了評估復合纖維膜的熱管理性能，作者進行了人體熱管理模擬實驗（圖4g-i）。實驗結果表明，復合纖維膜不僅可以反射一定量的太陽光，而且在高太陽光照功率下可以通過相變將太陽光轉化為熱能存儲起來，防止快速升溫對人體造成的傷害。

圖4. AIE/PCM復合纖維膜的相變特性及其人體熱管理功能

綜上所述，該多功能AIE/PCM復合纖維膜可應用于酒精生物傳感、熒光防偽和人體熱管理等領域。未來，這種多功能纖維材料將為智能生物傳感器提供材料支撐。該研究成果在國際著名學術期刊《Biosensors and Bioelectronics》上在線發表，廣東工業大學2022級材料科學與工程專業碩士生林家輝為該工作第一作者。

論文信息：

Jiahui Lin, Xing Feng, Jintao Huang, et al. Flexible AIE/PCM composite fiber with biosensing of alcohol, fluorescent anti-counterfeiting and body thermal management functions[J]. Biosensors and Bioelectronics.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116799

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（責任編輯：xu）

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