葡聚糖的光致發(fā)光性質(zhì)及機(jī)理研究

葡聚糖(M_W = 20/70/150/500 kDa)、D-(+)-葡萄糖(AR)購于上海百靈威有限公司，提純后使用；無水乙醇(分析純)購于通用試劑(General-reagent)；四氫呋喃(THF, 光譜級(jí))購于阿法埃莎(中國(guó))化學(xué)有限公司(Alfa Aesar)；丙酮(AR)購于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；娃哈哈純凈水購于杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司.

熒光光譜和延遲光譜由英國(guó)愛丁堡儀器公司FLS 1000穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)定；量子效率由配置積分球的美國(guó)PTI公司QM/TM/IM型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)定；溶液吸收光譜用美國(guó)賽默飛世爾科技EV300紫外可見分光光度計(jì)測(cè)得；單晶解析由德國(guó)布魯克公司D8 Venture-CMOS型單晶X射線衍射儀測(cè)試得到；發(fā)光照片由日本索尼公司Sony α7sⅡ相機(jī)拍攝得到.

室溫下分別將5 g分子量為20、70、150和500 kDa的葡聚糖溶解于20 mL水中，然后用400 mL無水乙醇(乙醇/水，20/1，V/V)作為不良溶劑使其沉淀. 將獲得的沉淀物通過砂芯漏斗過濾收集，然后置于50 ℃真空干燥用于進(jìn)一步表征分析.

室溫下將1 g葡萄糖溶解于10 mL水中，用200 mL丙酮(丙酮/水，20/1，V/V)作為不良溶劑使其沉淀，冷凍干燥.

取5 mg葡萄糖溶于裝有2 mL水的小樣品瓶中，置于裝有丙酮的大樣品瓶中，1周后得到晶體.

葡聚糖水溶液的濃度及分子量的不同不僅會(huì)影響分子鏈的柔性，也會(huì)影響分子鏈內(nèi)與鏈間相互作用，從而對(duì)其發(fā)光產(chǎn)生影響(如圖1所示). 從圖1(a)可以看出，對(duì)于極稀濃度的葡聚糖溶液(0.1 wt%)，在312 nm紫外光激發(fā)下幾乎未觀察到發(fā)光，隨著濃度的增加，逐漸觀察到微弱的藍(lán)色發(fā)光，其光譜發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)(圖1(c))，呈現(xiàn)濃度增強(qiáng)發(fā)光的性質(zhì). 隨著濃度的增加，葡聚糖分子鏈逐漸聚集，富電子氧原子簇聚形成簇生色團(tuán). 同時(shí)，隨著分子鏈的聚集，分子鏈內(nèi)與鏈間相互作用增強(qiáng)，進(jìn)一步使構(gòu)象剛硬化，從而減少了非輻射躍遷. 此外，20 wt%葡聚糖濃溶液在254~400 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下，均可有效發(fā)射，其發(fā)射峰位由300 nm紅移至478 nm (圖1(d))，具有明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性. 這說明在濃溶液中有著多種不同的聚集狀態(tài)，從而形成了多重發(fā)射中心. 由圖1(e)可看出，隨著濃度增加，其紫外吸收峰強(qiáng)度越來越大，270 nm處的吸收峰逐漸明顯，并且紫外吸收邊逐漸擴(kuò)大至超過400 nm的區(qū)域，這說明聚集的形成及離域擴(kuò)展.

  

Fig. 1  (a) Photographs of dextran solutions at different concentrations taken under 312 nm UV irradiation; (b) Photographs of dextran solutions at different concentrations taken at 77 K under 312 and 365 nm UV lights or after ceasing the UV irradiation; Photoluminescence (PL) spectra of (c) different solutions with λ_ex of 312 nm and (d) 20 wt% solution with different λ_exs; (e) Absorption spectra of different dextran solutions.

值得注意的是，如圖1(b)所示，在77 K下，葡聚糖濃溶液的發(fā)光顯著增強(qiáng)而其稀溶液仍然幾乎不發(fā)光，這一結(jié)果表明構(gòu)象剛硬化并不是發(fā)光的唯一原因. 在稀溶液中，葡聚糖分子鏈彼此孤立，鏈伸展性良好，共軛不充分而難以激發(fā)，因此即便在77 K構(gòu)象剛硬化也無法發(fā)光. 但其濃溶液(20 wt%)，當(dāng)溫度降至77 K時(shí)，其發(fā)光大幅增強(qiáng)，且在停止312和365 nm紫外光激發(fā)后，仍可分別看到藍(lán)色和綠色長(zhǎng)余輝. 這主要是由于濃溶液中葡聚糖分子聚集，聚合物鏈相互纏結(jié)，富電子氧簇聚形成簇生色團(tuán)，增強(qiáng)了分子內(nèi)/間相互作用使構(gòu)象剛硬化，同時(shí)使電子離域擴(kuò)展. 77 K下構(gòu)象進(jìn)一步剛硬化，簇生色團(tuán)非輻射躍遷受到抑制，使激子更多地以光輻射的形式釋放出來，因而其濃溶液在低溫下表現(xiàn)出顯著的發(fā)光增強(qiáng). 而余輝可歸屬為低溫磷光，其激發(fā)波長(zhǎng)依賴性進(jìn)一步說明了體系多重發(fā)射種的存在.

圖2(a)為8 mg/mL葡聚糖在H₂O及THF/H₂O混合溶劑中的發(fā)光照片，在312 nm紫外燈激發(fā)下，葡聚糖在純水溶液中發(fā)光較弱，隨著混合溶劑中THF含量的增加，可以觀察到明顯的熒光增強(qiáng). 當(dāng)THF含量高于80%時(shí)，葡聚糖在溶液中形成沉淀. 圖2(b)中的光譜測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這一特性. 這表明隨著不良溶劑的加入，葡聚糖分子逐漸聚集，分子鏈纏結(jié)緊密，分子間相互作用增強(qiáng)，呈現(xiàn)出聚集誘導(dǎo)發(fā)光增強(qiáng)性質(zhì)^[3].

  

Fig. 2  (a) Photos and (b) PL spectra of dextran in H₂O and THF/H₂O mixtures with different THF fractions under 312 nm UV irradiation, concentration = 8 mg/mL.

為了更深入地理解發(fā)光機(jī)理，進(jìn)一步研究了不同分子量葡聚糖固體的光物理性質(zhì). 如圖3以及電子支持信息圖S1所示，不同分子量葡聚糖固體在312 nm紫外燈下均呈現(xiàn)藍(lán)光發(fā)射，其發(fā)射光譜則呈現(xiàn)明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性. 與20 kDa葡聚糖相比，分子量更高的葡聚糖固體半峰寬更寬，發(fā)光量子效率隨分子量增加而逐步增強(qiáng)(1.6%~3.6%). 這可能是因?yàn)榉肿恿吭黾?，其分子鏈纏結(jié)更為緊密，產(chǎn)生更強(qiáng)的分子內(nèi)/間相互作用力導(dǎo)致簇生色團(tuán)構(gòu)象剛硬化程度增大，從而限制了其運(yùn)動(dòng)，降低了非輻射躍遷，使得量子效率明顯增加. 而高分子量體系半峰寬的增加則可能是其中形成了更多的簇聚發(fā)射種造成的.

  

Fig. 3  (a) Photographs of different dextran solids taken under 312 nm UV irradiation; (b) PL spectra of 500 kDa dextran powders with different λ_exs; (c) PL spectra of different dextran powders under 365 nm UV irradiation.

如圖4和電子支持信息圖S2所示，在停止紫外輻照后，分子量較大葡聚糖(150 kDa、500 kDa)粉末可看到明顯的綠色余輝，這可歸屬為其p-RTP發(fā)射. 延遲光譜測(cè)試顯示254、280、312 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，500 kDa葡聚糖對(duì)應(yīng)的光譜峰位為480、500、515 nm，表現(xiàn)出明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性. 其p-RTP最長(zhǎng)壽命可達(dá)202 ms，這在無定形純有機(jī)發(fā)光化合物，尤其是非典型發(fā)光化合物中較為少見. 而分子量較小的葡聚糖(20 kDa、70 kDa)粉末未能觀察到明顯的長(zhǎng)余輝. 如圖4(c)所示，經(jīng)加壓后，所得葡聚糖片均呈現(xiàn)明顯的綠色余輝. 這是因?yàn)榉肿訕?gòu)象剛硬化程度及環(huán)境中的氧氣與水等猝滅劑都是影響葡聚糖磷光壽命的重要因素. 這種獨(dú)特的p-RTP發(fā)射一方面是具有大量n電子的氧簇可促進(jìn)自旋軌道耦合和系間竄越過程，另一方面聚合物鏈相互纏結(jié)，使其具有較強(qiáng)的分子內(nèi)/間相互作用力，增加了氧簇的構(gòu)象剛硬化程度，從而產(chǎn)生并穩(wěn)定了三線態(tài)激子，繼而呈現(xiàn)p-RTP發(fā)射. 并且在壓片之后，觀察到更強(qiáng)和更長(zhǎng)的p-RTP余輝，這可以歸因于分子的堆積更加緊密，增加簇聚種構(gòu)象剛性的同時(shí)減少了氧氣和水分子對(duì)三線態(tài)激子的猝滅. 這種p-RTP的出現(xiàn)，使其在防偽和加密等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用^[32~35].

為了進(jìn)一步闡述葡聚糖的發(fā)光機(jī)理，我們對(duì)葡聚糖的單體——葡萄糖的單晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析^[36]. 由圖5(a)可知，葡萄糖單晶中存在著大量的分子內(nèi)和分子間相互作用，如H―O···H―O、C―H···O―H、O―H···O―C、H―O···O―H、H―O···O―C. 這些相互作用一方面有助于分子的構(gòu)象剛硬化，另一方面O···O相互作用形成了有效的空間電子離域. 這為我們理解聚合物中可能的相互作用提供了借鑒. 從圖3(a)中可以看出，葡萄糖的發(fā)光較葡聚糖更弱，這可能是由于分子構(gòu)象剛硬化程度較低導(dǎo)致.

  

Fig. 5  (a) Inter/intramolecular interactions and through-space electronic communications of glucose in crystals; (b) Schematic illustration and Jablonski diagram of dextran molecules from isolated to aggregated states.

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，葡聚糖發(fā)光可由CTE機(jī)理合理解釋^[37~39]. 對(duì)于葡聚糖，在稀溶液中，分子鏈較為伸展，不能形成有效的空間共軛，分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)使能量耗散. 當(dāng)分子逐漸聚集，分子鏈間纏結(jié)更加緊密，分子內(nèi)/間相互作用使構(gòu)象剛硬化程度增加，氧原子之間形成有效簇聚，電子離域擴(kuò)展，發(fā)光增強(qiáng). 在固態(tài)時(shí)，構(gòu)象剛硬化的環(huán)境對(duì)氧和水的隔絕有效的減少了三線態(tài)激子的猝滅，表現(xiàn)出p-RTP，并由于簇聚種的多樣性，其發(fā)射具有激發(fā)波長(zhǎng)依賴性.