广工闵永刚教授团队等Biosens. Bioelectron.：柔性AIE/PCM复合纤维用于酒精生物传感、荧光防伪和人体热管理

2024-09-25 来源：高分子科技

生化物质的检测对于基础生物学研究、人体健康监测和临床诊断具有重要意义。荧光检测具有可视化、灵敏度高、响应速度快、操作简单等优点，可以用于检测和分析生化物质。然而，传统荧光材料在高浓度或固态下存在聚集诱导淬灭问题，阻碍了其实际应用。具有聚集诱导发光（Aggregation-induced Emission, AIE）特性的荧光分子可以应对该问题而被广泛应用。酒精传感作为一种重要的检测技术，在酒精戒断治疗、健康监测、临床试验等生物医学领域发挥着至关重要的作用。然而，利用AIE荧光分子进行有效的酒精传感仍然存在空白。此外，生物传感材料通常与人体皮肤贴合，因此热管理性能的加入可以提高人体舒适性。对此，相变材料（Phase-change material, PCM）可以实现这一功能。AIE/PCM复合材料由于其在生物传感领域的巨大应用潜力而具有研究价值。

近日，广东工业大学闵永刚团队联合香港中文大学（深圳）唐本忠团队将AIE荧光材料和PCM结合并制备了一种具有酒精传感性能、荧光图案刻画特性和人体热管理功能的复合纤维膜。在这项研究中，作者首先合成一种表面负载SiO₂颗粒的六方氮化硼（SiO₂@h-BN）来提高其溶剂分散性并用作导热填料（图1a）；再以聚丙烯腈(PAN)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合高分子材料为纤维基材，以芘基AIE分子（Py-CH）为荧光功能材料，以聚乙二醇（PEG）为相变热管理材料，通过静电纺丝技术制备具有形状稳定性的多功能复合纤维膜（图1b）。

图1. AIE/PCM复合纤维膜的制备示意图

Py-CH化合物是一种典型的具有给电子-受电子结构的有机AIE分子。其中，芘为吸电子基团，色烯为给电子基团，可以进行分子内电荷转移。Py-CH化合物的加入赋予了复合纤维膜以神奇的极性红移响应性能。为了进一步探究其红移响应机理，作者使用不同极性溶剂（按极性排列依次为：正己烷、氯仿、DCM、THF、乙酸乙酯、乙醇、H₂O、DMF）滴加到纤维膜上，并记录PL光谱和荧光颜色变化。结果表明，随着溶剂极性的增加，纤维膜的PL光谱表现出从非极性溶剂到极性溶剂的红移发射（图2b）。这种现象归因于Py-CH的扭曲分子内电荷转移（Twisted Intramolecular Charge Transfer, TICT）机制（图2j）。然而，极性较大的H₂O不能使纤维膜的荧光发生红移，这是Py-CH在水中的弱溶解性造成的。在众多溶剂中，复合纤维膜因其对酒精表现出较为明显的荧光红移（图2e-f，PL光谱由497 nm红移至547 nm）以及由外往内的特异辐射恢复途径（图2i）而在酒精传感应用中表现出巨大潜力。此外，荧光可恢复特性使得纤维膜在酒精传感应用中的重复使用成为可能（图2k）。

图2. AIE/PCM复合纤维膜对酒精的可恢复性荧光传感性能

作者发现该复合纤维膜还具有荧光图案刻画性能和变温荧光性能。纤维膜可以通过简单的模板法轻松获得精细的荧光图案（图3a-b）。这表明复合纤维膜在柔性荧光防伪方面具有很好的应用潜力。此外，由于复合材料具有强吸水性的PVP和具有TICT机制的Py-CH，复合纤维膜还表现出变温荧光性能（图3c）。

图3. AIE/PCM复合纤维膜的荧光图案刻画及变温荧光性能

PCM的加入还使得荧光传感纤维膜具有人体热管理性能。DSC测试结果表明纤维膜具有87 ~ 90 J / g的储能密度和优异的循环使用稳定性（图4a-d）。这说明纤维膜不仅解决了PEG的相变泄漏问题，还成功保留了其相变热管理特性。SiO₂@BN导热填料的加入也使得纤维膜的导热性能有所提高，从而优化其热管理性能（图4f）。为了评估复合纤维膜的热管理性能，作者进行了人体热管理模拟实验（图4g-i）。实验结果表明，复合纤维膜不仅可以反射一定量的太阳光，而且在高太阳光照功率下可以通过相变将太阳光转化为热能存储起来，防止快速升温对人体造成的伤害。

图4. AIE/PCM复合纤维膜的相变特性及其人体热管理功能

综上所述，该多功能AIE/PCM复合纤维膜可应用于酒精生物传感、荧光防伪和人体热管理等领域。未来，这种多功能纤维材料将为智能生物传感器提供材料支撑。该研究成果在国际著名学术期刊《Biosensors and Bioelectronics》上在线发表，广东工业大学2022级材料科学与工程专业硕士生林家辉为该工作第一作者。

论文信息：

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.

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116799

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（责任编辑：xu）

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