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[交流] 唐本忠院士團隊新研究：熒光技術揭示聚合物乳液成膜的微觀離子動態(tài) 已有1人參與

唐本忠院士團隊新研究：熒光技術揭示聚合物乳液成膜的微觀離子動態(tài)
微環(huán)境中的離子動態(tài)對宏觀系統(tǒng)行為影響深遠，但因其復雜性和隱蔽性，長期以來，實時監(jiān)測這些過程并建立其與宏觀現(xiàn)象的關聯(lián)始終是科研難題。近日，香港科技大學與香港中文大學（深圳）唐本忠院士團隊以聚合物乳液為研究對象，證實了利用熒光技術追蹤微環(huán)境中酸分子遷移動態(tài)的可行性，相關成果發(fā)表于JACS。

研究核心：熒光探針與離子動態(tài)監(jiān)測
團隊設計了一種具有強供體 - 受體（D-A）效應的酸敏熒光探針 ——TPE-DMA-MN。該探針的關鍵特性在于，鹽酸分子的質子化與去質子化作用可精準調控其分子內電荷轉移程度，使熒光發(fā)射波長發(fā)生顯著變化：從近紅外光區(qū)躍遷至可見黃光波段，位移超過 200 納米，且肉眼可清晰分辨。
將此探針加入陽離子型聚氨酯分散體后，團隊成功實時觀測到了離子化雙電層崩塌引發(fā)的酸遷移及酸蒸發(fā)過程，并通過關聯(lián)微觀離子動態(tài)與宏觀成膜過程，構建出一個高效的數(shù)字化監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了對聚合物乳液干燥及后固化進程的高對比度、高精度追蹤。
創(chuàng)新突破：三大核心成果
1.離子響應型熒光轉換機制
基于酸刺激調控的 D-A 強度變化，TPE-DMA-MN 實現(xiàn)了超 200 納米的熒光波長位移，可在不可見紅外光與可見黃光間精準切換，為動態(tài)離子過程監(jiān)測提供了高靈敏度的熒光技術支撐。
2.聚合物乳液成膜離子動態(tài)的可視化
首次實現(xiàn)了聚合物乳液成膜過程中關鍵離子動態(tài)（如雙電層破壞、離子遷移、去離子化）的宏觀可視化，突破了傳統(tǒng)方法難以直接觀測微觀離子行為的局限，為成膜機理研究開辟了新路徑。
3.數(shù)字化離子動態(tài)監(jiān)測平臺
通過關聯(lián)微觀離子過程與宏觀成膜行為，團隊首創(chuàng)以低成本灰度信號為核心的實時監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了聚合物乳液成膜過程的高效、精準數(shù)字化監(jiān)測。該技術操作簡便、成本低廉，為聚合物乳液的理論研究與工業(yè)應用提供了全新工具。
研究背景：離子動態(tài)的重要性與監(jiān)測難點
在生命科學與材料科學領域，微環(huán)境中的離子動態(tài)普遍存在且意義重大。例如，生物系統(tǒng)中著名的 “玻爾效應” 便體現(xiàn)了酸分子遷移對血紅蛋白氧結合能力的調控；而在材料科學中，離聚物的離子遷移、離子交換樹脂的離子交換等過程，直接影響材料的導電性、響應性等宏觀性能。
聚合物乳液作為重要的離聚物，其成膜過程（從分散的乳液顆粒形成具有機械強度的薄膜）涉及水蒸發(fā)、粒子相互作用等微觀事件，更伴隨復雜的離子動態(tài)（如雙電層崩塌引發(fā)的酸堿遷移、后固化中的離子對去離子化）。但傳統(tǒng)監(jiān)測方法（如顯微技術、光譜 / 質譜分析、SERS、太赫茲光譜等）存在局限性：或無法實時監(jiān)測，或依賴復雜設備，或受限于特定環(huán)境，難以滿足高樣品耐受性、操作簡便、低成本的需求。
實驗設計：從探針合成到成膜監(jiān)測
聚合物分散體的制備
團隊合成了三種不同離子特性的聚氨酯分散體（PUDs）：陰離子型（APUD）、非離子型（NPUD）和陽離子型（CPUD）。三者因親水段不同，穩(wěn)定機制存在差異：APUD 依賴羧酸鹽 - 銨離子對形成的雙電層，NPUD 依賴聚乙二醇（PEG）親水層，CPUD 則依賴銨鹽 - 氯離子對形成的雙電層，這為對比研究成膜過程中的離子動態(tài)提供了理想模型。
熒光探針的響應特性
TPE-DMA-MN 的二甲氨基（DMA，富電子供體）與丙二腈（MN，缺電子受體）構成 D-A 結構：
•未加酸時，強 D-A 效應使其發(fā)射近紅外熒光（713 nm）；
•加入鹽酸后，DMA 質子化變?yōu)槿彪娮踊鶊F，D-A 效應減弱，熒光藍移至 550 nm（溶液呈淺黃色）；
•加入三乙胺（TEA）后，結構恢復，熒光紅移回近紅外區(qū)。
成膜過程的實時監(jiān)測
將 TPE-DMA-MN 引入三種 PUDs 后，團隊發(fā)現(xiàn)：APUD 和 NPUD 成膜過程中熒光變化微弱，而 CPUD 表現(xiàn)出顯著動態(tài)：
•濕膜初始發(fā)射不可見近紅外熒光；
•干燥過程中，隨水分蒸發(fā)、雙電層破壞，酸遷移使探針質子化，熒光藍移至 501 nm（黃色，位移 213 nm）；
•后固化（60°C）時，酸蒸發(fā)導致探針去質子化，熒光紅移回 708 nm（近紅外，位移 207 nm）。
數(shù)字化監(jiān)測平臺與應用前景
基于熒光信號的灰度變化，團隊構建了實時數(shù)字化監(jiān)測平臺，可將成膜過程劃分為干燥（3 個階段）與后固化（4 個階段），并與重量法監(jiān)測的水分蒸發(fā)率高度吻合，驗證了方法的可靠性。該平臺不僅能追蹤傳統(tǒng)聚氨酯乳液成膜，還成功應用于 CO₂基聚氨酯分散體（CO₂-PUD），證實了其普適性。
此項研究為復雜微環(huán)境中離子動態(tài)的實時監(jiān)測提供了創(chuàng)新方法，有望在生命科學（如細胞內離子調控）、材料科學（如功能涂層制備）等領域發(fā)揮重要作用。
論文信息：
標題：Unveiling Migration Dynamics of Acid Molecules in Microenvironments via Fluorescence Signal: A Case Study in Polymer Emulsion Film Formation
第一作者：香港科技大學汪金博士、歐新文博士、鄧子豪博士
通訊作者：香港科技大學郭子健教授、林榮業(yè)教授，香港中文大學（深圳）及香港科技大學唐本忠院士
本文旨在科普交流分享，如需引用或轉載，請注明文章原始鏈接。

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