聚集态增强荧光技术应用于材料三维大尺度的可视化研究
基于激光共聚焦显微镜的荧光可视化技术已经成为化学、材料、生物等领域的重要研究工具。随着2014年诺贝尔化学奖被授予给三位在超分辨荧光显微镜方面做出卓越贡献的科学家，荧光可视化技术的发展达到了又一个里程碑。荧光可视化技术的快速、无损以及高对比度的成像功能，使其在某些情况下能够替代传统可视化技术用于材料表征。目前荧光可视化技术最常用的仪器为激光共聚焦显微镜，其扫描范围可达数百微米，能够实现大尺度的成像分析。另外，激光共聚焦显微镜使用高穿透性的激光作为光源，具有光学层切功能，使材料三维结构的可视化成为可能。同时激光共聚焦显微镜的长时间图像采集功能可对化学反应过程进行原位观察。为了满足表征材料特殊性能的可视化研究，基于阳离子-π诱导发光和聚集诱导发光特性，设计和构建一系列全新的荧光标记体系，用于实现传统可视化手段无法直接观测的材料结构以及反应过程，极大地拓宽了荧光可视化在材料表征中的应用前景。 荧光可视化技术的大尺度成像可以用于实现聚合物基质中无机填料的三维分散度的可视化。为了使原本不发光的无机填料蒙脱土具有发光性能，可采用共插层的方式用阳离子表面活性剂将荧光多环芳烃(PAHs)插入蒙脱土层间。通过紫外吸收光谱、荧光光谱以及荧光偏振分析，证实蒙脱土层间的阳离子表面活性剂和PAHs之间存在强烈的阳离子-π作用，从而避免了PAHs在聚集态的荧光淬灭，使蒙脱土发出明亮的绿色荧光。对制备的蒙脱土硅橡胶复合材料进行荧光可视化表征，可获取蒙脱土填料分散度的三维重构图像。通过设计的统计学模型（由皮尔逊卡方检验、二维平面密度分析、一维数值特征评估构成），对蒙脱土分散度进行精确定量。相比于定性分析，通过定量分析可以区分两个分散度相近的实际样品之间的细微差别。该定量方法有望成为有机-无机复合材料行业中定量评价无机填料分散度的标准方法。 荧光可视化技术的三维成像功能以及视频录制功能可以用于实现微藻柴油工业中絮凝过程的可视化。当前最主流的絮凝方法是使用投料浓度远高于临界胶束浓度的表面活性剂，对微藻进行高效絮凝。为了探究表面活性剂影响微藻絮凝过程和效率的关键因素，可利用聚集诱导发光表面活性剂四苯乙烯基十二烷基三甲基溴化铵(TPE-DTAB)可视化研究微藻絮凝过程以及絮凝产物。通过表面张力的测定，证实TPE-DTAB具有超低临界胶束浓度，而荧光光谱则证明TPE-DTAB在胶束聚集态下依旧具有强烈荧光。随后，通过荧光可视化技术，可以观察到带正电的TPE-DTAB胶束将表面带负电的微藻细胞絮凝成大块絮凝物的全过程。与传统阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵以及十八烷基三甲基溴化铵作对比，TPE-DTAB的微藻絮凝效率更高。依据观察到的絮凝过程可以推断出，因为TPE-DTAB具有超低临界胶束浓度，能使其在相同投料浓度下形成更多的胶束，也就具有更高的絮凝效率。通用性实验进一步证明了TPE-DTAB对多种微藻的絮凝效率都为最高。因此，开发具有超低临界胶束浓度的表面活性剂将成为微藻柴油工业提升絮凝效率的关键途径。 荧光可视化技术的视频录制功能以及强度定量功能可应用于原位观察物理吸附的动力学过程。在化学反应过程中，吸附过程的动力学可视化作为一个难题长久以来困扰着各领域的科研工作者。理论上，以荧光分子作为被吸附物，结合荧光可视化技术可以实现吸附动力学的可视化。但是，荧光分子吸附到吸附剂上时不可避免的会产生聚集，同时伴随着荧光的降低甚至淬灭。通过设计并合成具有阳离子-π作用增强发光的有机荧光阳离子反-4-醛基-苯乙烯基吡啶盐(FSPH)，再以蒙脱土作为吸附剂，可实现对蒙脱土吸附FSPH过程的可视化观测。原位荧光强度的变化，可定性地表明FSPH由蒙脱土边缘入侵到蒙脱土内部的过程;而动力学的可视化则需要对入侵路径的荧光变化进行定量分析获得。选取蒙脱土边缘到中心的若干位置，通过图像分析软件(LAS X)对其荧光强度定量，获得荧光强度随时间的变化曲线。首先，FSPH分子聚集在蒙脱土颗粒边缘;其次，更多的FSPH分子在边缘聚集形成阻隔层;最后，部分FSPH分子从阻隔层入侵到蒙脱土颗粒内部。这种吸附过程对于任意大小的蒙脱土颗粒而言都适用，但是阻隔层的形成使较大颗粒的蒙脱土内部空间无法被充分利用，导致较低的吸附效率。蒙脱土吸附动力学可视化的成功意味着荧光可视化技术可应用于复杂化学反应过程的研究。
工程材料;三维结构;荧光可视化;激光共聚焦显微镜
北京化工大学
博士
化学
吕超
2019
中文
TB303
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）