CN111434649A - 酸检测用荧光探针 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一类用于酸检测的荧光化合物，该荧光化合物在固体时发射强荧光，并且可以酸的存在的情况下发生聚集。在存在酸的情况下，该化合物发射的荧光强度相对于原始强度水平是显著增强的。在存在极低浓度的酸的情况下，例如浓度为至少约10^‑20M的情况下，该荧光化合物发射的荧光强度增强。

Description

酸检测用荧光探针

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年1月15日提交的临时美国专利申请No.62/918,057的优先权，该申请由本发明人提交，并且该申请的全部内容通过并入本文。

技术领域

本申请涉及一类利用荧光检测酸的化合物和这类化合物在功能化硅基板表面上的应用，以及通过对这类化合物实现超快速的荧光调控的应用。

背景技术

在过去的几十年中，材料科学已成为一个丰富的跨学科研究领域。当前人们面临的许多紧迫的科学问题，都受限于材料的可获得性以及受限于如何有效使用材料，所述材料例如为陶瓷、玻璃、金属、聚合物和复合材料。

除材料的化学组成外，还必须考虑材料的表面以实现材料的最佳用途。即使表面发生微小变化，材料也会受到显著影响。近年来，对具有理想特性和可调功能的表面(称为“智能表面”)进行了广泛的研究。对各种变化或因素(例如温度、光子、电子、pH值和溶剂接触)有响应的智能表面，对于各种应用(包括智能设备、可控的水油的分离以及生物燃料的应用)都至关重要。然而，这些常规表面的响应性通常不如预期的那么快。因此，人们非常需要具有超快速响应、操作简单并且可重复使用的智能表面。

因此，急需这种可以帮助实现上述智能表面的化合物。

发明内容

本申请考虑了具有聚集诱导发光(AIE)特性的化合物。本发明的用于酸检测的荧光化合物通过聚集而能够感测或检测酸的存在。当环境中存在酸时会引起该化合物分子聚集，从而诱导荧光。该荧光化合物在固态下可发射荧光。在酸存在的情况下，该化合物的荧光强度较之于原始荧光强度水平增强。该荧光化合物可以在超低酸浓度(例如当酸浓度低至10^-20M)时下显示出荧光强度增强，该化合物的荧光强度可在短时间内(例如约1秒至约3分钟)显著增强。

在一个实施方案中，一种用于酸检测的荧光化合物包括以下骨架结构：

其中R₁选自由下基团组成的组中

-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-COOH和-CHO；

其中R₂选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中R₃选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中n是0至100范围内的整数；并且

其中p是1至100范围内的整数。

在一些施方案中，R₂和R₃是相同的。在一些实施方案中，R₂是H并且R₃是H。在一些实施方案中，R₂和R₃是不同的。

在一些实施方案中，该化合物选自：

根据一个实施方案，本发明的化合物可以功能化或修饰基板的表面以提供AIE-gen功能化表面(AIEFS)。如本文所述，本发明的化合物可以在基板表面上自组装以形成不可润湿的疏水性AIEFS。AIEFS与酸接触会导致AIE化合物聚集，使来自AIE化合物发射的荧光强度增强，并改变了AIEFS的表面极性和润湿性。在一个实施方案中，酸接触后的AIEFS的润湿性可以增加。

在一个实施方案中，一种检测酸的存在的方法可以包括用该化合物使材料的表面功能化，并且在用所述化合物使所述表面功能化后，监测所述化合物发射的荧光强度。

附图说明

以下将用参照附图详细描述各种实施方案。

图1A至图1C示出了TPI-C在10μM的f_H＝99％的THF/己烷混合物中的PL光谱，其中TPI-C添加有不同浓度的HCOOH(图1A)、不同浓度的CH₃COOH(图1B)和不同浓度的CF₃COOH(图1C)

图1D示出了TPI-C在不同酸浓度下的相对PL强度(I/I₀)，x轴表示酸浓度分别为(a)0M、(b)1×10^-20M、(c)1×10^-14M和(d)1×10^-8M。

图2A为HCl熏蒸前、HCl熏蒸后180秒以及HCl熏蒸后3小时TPI-Si功能化表面(TFS)的PL光谱；图2B示出了在不同时间步长下HCl熏蒸180秒之前和之后的TFS的相对PL强度(I/I₀)的图；图2C为通过交替盐酸蒸汽熏蒸，即，经过HCl熏蒸10秒和180秒后，TFS的荧光强度中的可逆变化的图；图2D为TFS经过三氟乙酸(TFA)熏蒸1秒后以及TFA熏蒸8分钟后的响应于TFA气体的PL光谱的图；图2E显示了在不同时间步长下，TFA熏蒸1秒之前和之后TFS的相对PL强度(I/I₀)的图；图2F示出了TFS在TFA熏蒸1秒后的响应于TFA气体的荧光强度是可逆的。

图3A示出了HCl熏蒸前、HCl熏蒸10秒后以及HCl熏蒸后20分钟的TFS的PL光谱，并且图3B示出了在不同时间步长下，TFS在HCl熏蒸之前和HCl熏蒸10秒后的相对PL强度(I/I₀)的图。

图4示出了在不同酸性气体(每一种酸熏蒸表面10秒)的刺激下，TFS的荧光强度图。

图5A示出了在具有天然氧化物的硅片的表面上的水滴侧视图；图5B示出了在TPI-Si功能化的硅片的表面上的水滴侧视图；图5C示出了经过3分钟的HCl熏蒸后，在TPI-Si功能化的硅片的表面上的水滴侧视图；图5D示出了硅微柱结构的SEM图像；图5E示出了在具有天然氧化物的硅微柱结构的表面上的水滴侧视图；图5F示出了在TPI-Si功能化的微柱结构的表面上的水滴侧视图；图5G示出了经过3分钟的HCl熏蒸后，在TPI-Si功能化的微柱结构的表面上的水滴侧视图；图5H示出了关于TPI-Si功能化微柱结构表面的可调湿度性(经过3分钟的HCl熏蒸，第一次和第二次测定分别是3分钟前和3分钟后，第三次至第六次测定分别经过15分钟、30分钟、60分钟和3小时)；图5I示出了可以通过表面极性的改变而实现TFS微柱结构可以显示润湿性的可逆性。

图6A示出了用于产生不同润湿度的示例性表面的图(区域I、II和III分别用HCl熏蒸0秒、30秒和60秒)；图6B示出了对于区域I、II和III中的每一个实现不同水滴接触角的图(从左到右)(比例尺代表2mm)；图6C为区域I、II和III中的每一个实现不同水滴接触角的图(从左到右)；图6D是用掩模覆盖的示例性表面的图(比例尺代表5mm)，所述掩模具有通过其限定的形状为字母“HK”的开口(酸熏蒸后，“HK”开口内的区域是亲水的，而其余的保持疏水)；图6E描绘了在TFS上产生可润湿性图案的过程的示意图；图6F为数值模拟图像；图6G为水滴在自然光下的图像，该水滴被图案化的表面限制了扩散；图6H为水滴在365nm的紫外线照射下的图像(比例尺代表2mm)，该水滴被图案化的表面抑制了扩散。

图7A描绘了大肠杆菌粘附在硅基板的表面上3小时后的荧光图像；图7B示出了图7A的硅基板经过3分钟的HCl熏蒸后的荧光图像；图7C描绘了大肠杆菌粘附在TFS的表面上3小时后的荧光图像；图7D示出了图7C的TFS经过3分钟的HCl熏蒸后的荧光图像；图7E示出了在图7A至图7D的四种基板上的大肠杆菌粘附性的图(各观察视野为101.41μm×101.41μm)。

图8A示出了具有自然氧化物的硅片的表面上的水滴的侧视图；图8B示出了用TPI-Si功能化的硅片表面上的水滴的侧视图；图8C示出了用TPI-Si功能化并用乙酸浸渍后的硅片表面上的水滴的侧视图；图8D示出了用TPI-Si功能化并用疏水性酸浸渍后的硅片表面上的水滴的侧视图。

图9A示出了用TPI-Si功能化的硅片的微柱结构表面上的水滴的侧视图；图9B示出了用TPI-Si功能化且用乙酸浸渍后的硅片表面上的水滴的侧视图；图9C示出了用TPI-Si功能化且用疏水性酸浸渍后的硅片表面上的水滴的侧视图；图9D示出了用TPI-Si功能化且用三氟乙酸浸渍后的硅片表面上的水滴的侧视图。

具体实施方式

定义

提供以下定义旨在理解本主题并且构建所附专利权利要求。

应注意，如本说明书和所附权利要求中使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数指代。

本文使用的术语“λ_ex”是指激发波长。

本文使用的短语“聚集引起淬灭”或“ACQ”是指这样的现象：π-共轭荧光团的聚集使荧光团的荧光强度显著降低。这种聚集体形成被称为“淬灭”荧光团的光发射。

本文使用的短语“聚集诱导发光”或“AIE”是指在无定形或结晶(固态)状态下聚集时表现出显著的发光增强的化合物所表现出的现象，而它们在稀溶液中则表现为弱或几乎没有发光。

本文使用的“发光强度”是指通常由荧光光谱仪或荧光显微镜测定获得的荧光/磷光的光度；本文使用的“荧光团”或“荧光素”是指显示荧光的分子；本文使用的“发光团”是指显示发光的分子；以及本文使用的“AIEgen”是指具有AIE特性的分子。

本文使用的“卤代”或“卤素”是指氟、氯、溴和碘。

本文使用的“烷基”是指直链或支链的饱和烃基。烷基的实例包括甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(例如，正丙基和异丙基)、丁基(例如，正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基)、戊基(例如，正戊基、异戊基、新戊基)、己基等。在各种实施方案中，烷基可具有1个至40个碳原子(即，C1-40烷基)(例如，1个至30个碳原子(即，C1-30烷基))。在一些实施方案中，烷基可具有1个至6个碳原子，并且可指“低级烷基”。低级烷基的实例包括甲基、乙基、丙基(例如，正丙基和异丙基)和丁基(例如，正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基)。在一些实施方案中，烷基可如本文所述被取代。烷基通常不被另一个烷基、链烯基或炔基取代。

本文使用的“链烯基”是指具有一个或多个碳-碳双键的直链或支链烷基。链烯基的实例包括乙烯基、丙烯基、丁烯基、戊烯基、己烯基、丁二烯基、戊二烯基、己二烯基等。一个或多个碳-碳双键可为内部的(如在2-丁烯中)或端部的(如在1-丁烯中)。在各种实施方案中，链烯基可具有2个至40个碳原子(即，C2-40链烯基)(例如，2个至20个碳原子(即C2-20链烯基))。在一些实施方案中，链烯基可如本文所述被取代。链烯基通常不被另一个链烯基、烷基或炔基取代。

本文使用的“杂原子”是指除碳或氢之外的任意元素的原子，并且包括(例如)氮、氧、硅、硫、磷和硒。

本文使用的“芳基”是指芳族单环烃环系统或多环环系统，即两个或更多个芳族烃环稠合(即，具有共同的键)在一起或至少一个芳族单环烃环与一个或多个环烷基和/或环杂烷基环稠合。芳基在其环系统中可具有6个至24个碳原子(例如，C6-24芳基)，其可包括多个稠合环。在一些实施方案中，多环芳基可具有8个至24个碳原子。芳基的任意的合适的环位置可与定义的化学结构共价连接。仅具有芳族碳环的芳基的实例包括苯基、1-萘基(双环)、2-萘基(双环)、蒽基(三环)、菲基(三环)、戊炔基(五环)等基团。其中至少一个芳族碳环与一个或多个环烷基和/或环杂烷基环稠合的多环系统的实例包括(尤其为)环戊烷的苯并衍生物(即，茚满基，其为5,6-双环环烷基/芳环系统)、环己烷(即，四氢萘基，其为6,6-双环环烷基/芳环系统)、咪唑啉(即，苯并咪唑啉基，其为5,6-双环环杂烷基/芳环系统)和吡喃(即，色烯基，其为6,6-双环环杂烷基/芳环系统)。芳基的其他实例包括苯并二恶烷基、苯并二氧杂环戊烯基、苯并二氢吡喃基、二氢吲哚基等。在一些实施方案中，芳基可如本文所述被取代。在一些实施方案中，芳基可具有一个或多个卤素取代基，并且可被称为“卤代芳基”。在“卤代芳基”的定义内包括全卤芳基，即所有氢原子均被卤素原子(例如，-C₆F₅)取代的芳基。在一些实施方案中，芳基被另一个芳基取代，并且可被称为联芳基。联芳基中的各个芳基可如本文公开所述被取代。

如本文使用的“杂芳基”是指含有至少一个选自氧(O)、氮(N)，硫(S)、硅(Si)和硒(Se)环杂原子的芳族单环的环系统或多环的环系统，该多环的环系统的环系统中存在的至少一个环是芳族的并含有至少一个环杂原子。多环杂芳基包括那些具有两个或更多个稠合在一起的杂芳基环的，以及那些与一个或多个芳族碳环、非芳族碳环和/或非芳族环杂烷基环稠合的具有至少一个单环杂芳基环的。杂芳基作为整体可具有(例如)5个至24个环原子并含有1个至5个环杂原子(即，5元至20元杂芳基)。杂芳基可以在任意杂原子或碳原子上与定义的化学结构连接，从而实现稳定的结构。通常，杂芳基环不含O-O、S-S或S-O键。然而，杂芳基中的一个或多个N或S原子可被氧化(例如，吡啶N-氧化物、噻吩S-氧化物、噻吩S,S-二氧化物)。杂芳基的实例包括(例如)，以下所示的5-或6-元单环和5-6双环的环系统：其中T为O、S、NH、N-烷基、N-芳基、N-(芳基烷基)(例如，N-苄基)、SiH₂、SiH(烷基)、Si(烷基)₂、SiH(芳基烷基)、Si(芳基烷基)₂或Si(烷基)(芳基烷基)。这种杂芳基环的实例包括吡咯基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、嘧啶基、哒嗪基、吡嗪基、三唑基、四唑基、吡唑基、咪唑基、异噻唑基、噻唑基、噻二唑基、异噁唑基、噁唑基、噁二唑基、吲哚基、异吲哚基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、喹啉基、2-甲基喹啉基、异喹啉基、喹喔啉基、苯并三唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并异噻唑基、苯并异唑基、苯并恶二唑基、苯并噁唑基、喹啉基、1H-吲唑基、2H-吲唑基、吲嗪基、异苯并呋喃基、萘啶基、酞嗪基、哌啶基、嘌呤基、噁唑并吡啶基、噻唑并吡啶基、咪唑并吡啶基、呋喃并吡啶基、噻吩并吡啶基、吡啶并嘧啶基、吡啶并吡嗪基、吡啶并哒嗪基、噻吩并噻唑基、噻唑并噻唑基、噻吩并咪唑基等。杂芳基的进一步的实例包括4,5,6,7-四氢吲哚基、四氢喹啉基、苯并噻吩并吡啶基、苯并呋喃并吡啶基等。在一些实施方案中，杂芳基可如本文所述被取代。

本文使用的“供体”材料是指有机材料，例如有机纳米颗粒材料，该有机纳米颗粒材料的孔作为主要电流或电荷的载体。

本文使用的“受体”材料是指有机材料，例如有机纳米颗粒材料，该有机纳米颗粒材料的电子作为主要电流或电荷的载体。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本主题适用的本领域技术人员通常理解的含义相同的含义。

在提供一系列值的情况下(例如，浓度范围、百分比范围或比例范围)，应该理解，除了上下文另有明确规定之外，在上限和下限之间的每个中间值，至下限单位的十分之一，在所述范围内的该范围的下限和任意其他所述或中间值包括在所述主题内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在较小范围内，并且这些实施方案也包括在所描述的主题内，受所述范围内的任意特别排除的限制。在所述范围包括一个或两个限制的情况下，不包括那些包括的限制中的二者之一或两者的范围也包括在所述的主题中。

在整个申请中，各种实施方案的描述使用“包含”语言。然而，本领域技术人员将理解，在一些特定情况下，可使用语言“基本上由......组成”或“由......组成”来替代性地描述实施方案。

为了更好地理解本教导并且决不限制本教导的范围，除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例以及其他数值的所有数字在所有情况下应理解为被术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在以下说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，该近似值可根据试图获得的所需性质而变化。至少，每个数值参数至少应根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。

化合物

本主题考虑了具有聚集诱导发光(AIE)特性的有机化合物。这类化合物，也称为“AIE-gens”，或者“荧光化合物”，它们能通过聚集诱导发光从而感测或检测酸的存在。例如，当酸的存在时，化合物发出的荧光增强，即从原始的强度水平增加到增强的强度水平。

根据一个实施方案，一种用于酸检测的荧光化合物包括以下骨架结构：

其中R₁选自由下基团组成的组中

-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-COOH和-CHO；

其中R₂选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中R₃选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中n是0至100范围内的整数；并且

其中p是1至100范围内的整数。

在一些施方案中，R₂和R₃是相同的。在一些实施方案中，R₂是H并且R₃是H。在一些实施方案中，R₂和R₃是不同的。

在一个实施方案中，该化合物选自：

AIE活性

本发明的化合物在固态下发强光并具有很高的荧光量子效率。通过酸处理，可以限制分子内的运动，从而使发光增强。因此，在酸的存在下，化合物发出的荧光强度相对于原始强度水平是增加的。如下文所述，例如，AIEgen聚集体可以对酸产生相应是通过阴离子π相互所用。具体而言，作为非限制性实例，用酸进行处理，由离子产生的相互作用可以限制分子内运动，从而使发光增强。

AIE-gen-功能化表面(AIEFS)

本发明的化合物可以功能化或修饰基板的表面以提供AIE-gen功能化表面(AIEFS)。如本文所述，本发明的化合物可在基板表面上自组装以形成不可润湿的疏水性AIEFS。在一个实施方案中，基板选自硅、玻璃和石英。在一个实施方案中，AIEFS的荧光和润湿性可以可逆地调节。在其他实施方案中，AIEFS的润湿性也可以是不可逆的。

用AIE-gen功能化后，将AIEFS与酸接触可以使AIE-gen聚集，从而增强了AIE-gen的荧光发射强度，并改变了AIEFS的表面极性和润湿性。酸可以处于气态或溶液态。因此，在酸的存在下，AIEFS发射的荧光强度相对于原始强度水平是增强的。

在一个实施方案中，润湿性的改变是可逆的。例如，化合物发射的荧光强度可以在酸熏蒸后约1秒至约3分钟内增强，可以用未功能化表面或功能化表面。在用酸熏蒸后约3分钟至约45分钟内，荧光强度可以恢复到原始强度水平。在存在至少约10^-20M的酸的情况下，该化合物可以发射增强的荧光强度。酸熏过的表面或部分被熏过的表面在接触酸后可在一段有限的时间内变为润湿性和亲水性的，然后在酸分子脱离后再次变为疏水性。

在一个实施方案中，润湿性的改变也可以是不可逆的。例如，将AIEFS浸入酸中会不可逆地增加AIEFS的润湿性。

在一个实施方案中，一种检测材料的表面上是否存在酸的方法可以包括用本发明的化合物使该材料的表面功能化，并在用该化合物使该表面功能化之后监测从该化合物发射的荧光强度。该表面可以通过化合物在材料表面上的自组装而功能化。例如，可以将本发明化合物的溶液涂覆在表面上以允许在该表面上自组装。作为非限制性实例，这可以通过将化合物旋涂在表面上然后加热来完成。然后洗涤涂覆的硅片，以去除在表面上未自组装的过量化合物。化合物的荧光强度增强表明材料的表面中存在酸。

在一个实施方案中，存在酸时，化合物发生聚集。因此，在首先用本发明的化合物功能化表面然后使其与酸接触之后，表面的荧光强度将增强。酸可选自由气态和溶液态组成的组中的一种状态。当酸为溶液态时，在至少约10^-20M的酸的存在下，该化合物发射的荧光强度可以提高。当酸为气态时，在酸接触材料的表面后约1秒至3分钟内，荧光强度可以提高。这样，可以监测和检测表面是否与酸分子接触，只要该表面事先被本发明的化合物功能化即可。

与不可湿润的状态相比，在可润湿状态下，AIEFS对细菌的粘附力较小。因此，AIEFS能够通过调节表面润湿状态来控制细菌的粘附行为。这使得使用具有可调节的表面物理和化学特性的智能表面来调节生物粘附性成为可能。

本教导通过以下实施例进行阐述。

实施例

材料和仪器

化学品购自Energy-Chemical、Sigma-Aldrich、J&K公司，无需进一步纯化即可使用。溶剂和其他常用试剂获自Sigma-Aldrich。在Bruker ARX 400MHz谱仪上测定¹H-NMR和¹³C NMR谱。在以MALDI-TOF模式运行的GCT Premier CAB 048质谱仪上记录了高分辨率质谱(HRMS)。在

分光荧光计和FLSP920荧光分光光度计上测定光致发光(PL)光谱。根据文献合成了TPI-OH，其分子结构如下所示：

实施例1

合成

TPI-C的合成

TPI-C的分子结构如下所示：

向TPI-OH(212mg，0.50mmol)的无水二氯甲烷(5mL)溶液中加入一滴Et₃N和异氰酸乙酯(43mg，0..6mmol)。将反应混合物在室温下搅拌4小时。真空除去溶剂。然后洗涤残余物，并用乙腈重结晶。获得了为白色固体的TPI-C(480mg,97％)。¹H NMR(400MHz,氯仿-d)δ7.69(d,J＝8.5Hz,2H),7.55–7.44(m,5H),7.43–7.41(m,2H),7.27(d,J＝8.5Hz,2H),7.23–7.17(m,2H),7.16–7.10(m,1H),5.08(t,J＝5.2Hz,1H),3.87(t,J＝7.7Hz,2H),3.38–3.31(m,2H),1.38–1.31(m,2H),1.27–1.18(m,5H),1.15–1.02(m,4H),1.01–0.92(m,4H),0.84(t,J＝7.2Hz,3H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ153.48,150.90,,146.35,137.07,133.95,130.92,130.38,129.52,129.03,128.37,127.97,127.75,127.38,126.17,125.55,121.04,44.19,35.53,30.96,29.79,28.19,27.97,25.55,21.92,14.50,13.42.HRMS(MALDI-TOF):m/z:[M+H]⁺计算值：C₃₂H₃₈N₃O₂:496.2964；实测值：496.2988。

TPI-Si的合成

TPI-Si的分子结构如下图：

向TPI-OH(212mg，0.50mmol)的无水二氯甲烷(5mL)溶液中加入一滴Et₃N和3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷(124mg，0.5mmol)。将反应混合物在室温下搅拌8小时。真空除去溶剂。获得了为无色油状液体的TPI-Si。HRMS(MALDI-TOF):m/z:[M+H]⁺计算值：C₃₉H₅₄N₃O₅Si:672.3833；实测值：672.3809。

实施例2

酸测试

首先进行了TPI-C在聚集状态下的酸响应研究。通过添加各种浓度的不同酸来研究TPI-C的荧光强度响应。通常，加入酸后TPI-C的荧光强度增强。TPI-C以这种方式对浓度低至10^-20M的甲酸、乙酸(AcOH)和三氟乙酸(TFA)产生响应。对于甲酸，如图1A所示，在酸浓度水平为10^-20M的情况下。其最高强度增强约为55％。当向TPI-C溶液中添加AcOH(1×10^{- 20}M，1μL)和TFA(1×10^-20M，1μL)时，TPI-C的强度增强分别约为120％(图1B)和96％(图1C)。

实施例3

TPI-Si-功能化表面(TFS)

TPI-Si功能化基板(TFS)的制备如下。实验中使用了525μm厚的硅片。首先，首先清洗硅片，通过将硅片浸入120℃的H₂SO₄:H₂O₂(10:1)混合物中10分钟，以去除金属和有机残留物。然后，将硅片浸入H₂O:HF(50:1)的混合物中1分钟，以去除自然氧化物。TFS是通过自组装方法制造的。首先将TPI-Si分散在THF中以形成0.5mg/mL的溶液。将所得溶液旋涂在硅片上，然后在烘箱中在140℃加热1小时。然后将涂覆的硅片用THF洗涤以去除多余不能在基板上进行自组装的TPI-Si。之后，用气枪干燥涂覆的硅片。

实施例4

对酸蒸汽刺激响应的可实现可逆荧光的AIEgen-功能化表面

TFS在酸性蒸汽刺激下的PL光谱如图2A至图2F所示。与没有任何酸蒸汽熏蒸的表面相比，经过180秒的盐酸(HCl)熏蒸后，表面的PL强度显著提高(图2A)。强度提高到比非熏蒸表面高309％。然后3小时后，表面的PL强度自我恢复(图2A)。据信，在咪唑化合物被酸分子离子化并形成盐后，该化合物自身解离，然后反转变回到咪唑的初始中性态，并向空气中释放高挥发性的HCl分子。图2B显示了在不同时间步长下HCl熏蒸180秒之前和之后的TFS的相对PL强度(I/I₀)的图。在45分钟左右记录到50％的强度下降。还测试了体系的可逆性和可重复性。图2C显示了HCl熏蒸180秒后获得的可重复性响应。结果表明，即使连续10次“HCl熏蒸”/“自我恢复”循环，相对PL强度(I/I₀)的变化也很小。这表明TFS的HCl蒸气增强的排放强度是可逆的。通过使用HCl熏蒸TFS 10秒，与未使用HCl熏蒸相比，表面的PL强度提高了31％，如图3A至图3B所示。TFS在HCl熏蒸10秒后的可重复响应如图2C所示，表明表面具有良好的可逆性。

从以上结果可以明显看出，通过用常见的挥发性酸HCl熏蒸TFS，可以通过简单的方法以快速响应和良好的可逆性来调控表面的荧光信号。TPI-C纳米聚集体可以高灵敏度响应TFA。此外，TFA的挥发性比HCl高。

进一步研究了TFA蒸气熏蒸对功能化表面的荧光响应。如图2D所示，TFS对TFA熏蒸显示出超快速响应。用TFA熏蒸功能化表面1秒，表面的荧光强度比没有熏蒸的表面显著提高了约73％，并且PL强度在8分钟后自我恢复。TFA的咪唑环和阴离子对之间的阴离子-π⁺相互作用和氢键似乎足够强，可以在熏蒸仅1秒时显著增强荧光强度。图2E中显示了在不同时间步长下，TFA熏蒸1秒之前和之后TFS的相对PL强度(I/I₀)的图。仅3分钟(180秒)后即可达到50％的强度恢复，这比通过HCl烟熏获得的恢复更快。这可能是因为在如此短的熏蒸时间下，表面上没有积累太多的酸分子，并且由于TFA通常比HCl更具挥发性。同时，在TFA熏蒸1秒后，表面也显示出可重复的响应，并具有良好的可逆性(图2F)。

图4示出了具有不同酸蒸气刺激的TFS的荧光强度。对于有机酸和无机酸，TFS均显示出酸蒸气增强的发射强度。结果进一步证明，在经过10秒的TFA、AcOH、HCl和高氯酸熏蒸后，PL强度可以分别比初始状态提高104％、41％、32％和12％。由于丙酸的弱酸性和硫酸的低挥发性，因此在用这些酸熏蒸时不能实现显著的发射强度增强。

实施例5

具有可调润湿性的AIEgen-功能化表面

据信，一旦TFS被酸蒸气刺激，则表面的极性由于咪唑环处的质子化而改变。极性变化会导致表面润湿性的差异。例如，如图5A所示，硅片的静态接触角(CA)最初约为55°。使用自组装方法将硅片用TPI-Si功能化后，TFS的CA约为105°，确认了表面的疏水性，如图5B所示。据信，表面的疏水性归因于TPI-Si上的烷基链。当TFS用HCl熏蒸3分钟时，表面质子化，并且表面的润湿状态变为亲水性，CA约为85°，如图5C所示。显然，TFS确实具有能够控制可调节的润湿性的能力。

为了获得更大的润湿性差异，还进一步制备了具有微柱结构的TFS。深度反应离子刻蚀(DRIE)用于在硅基板上制造均匀的微柱结构。微柱结构在平坦的硅片上包括圆形柱。柱的直径为约50μm，高为约50μm，并且彼此间隔约50μm，如图5D所示。在用TPI-Si对硅微柱表面进行功能化之前，硅与微柱的静态CA为0°(图5E)。如前所述，在硅基板上制造微柱结构后，可以通过自组装而容易地用TPI-Si对表面进行功能化。用TPI-Si对微柱表面进行功能化后，TFS的CA约为155°，在此状态下，表面具有超疏水性，如图5F所示。

通过改变表面极性来实现功能化表面的润湿性的转变。例如，经过3分钟的HCl熏蒸后，表面质子化，表面的润湿状态改变为亲水性，CA为约94°，如图5G所示。3小时后，所获得的润湿状态会自动恢复到高于150°。图5H提供了在不同时间步长下的CA变化。在大约60分钟内，CA的恢复率达到了50％。如图5I所示，CA从初始水平更改为不同的水平，然后反转至初始水平几个周期，表明表面具有良好的可逆性。

TFS在表面极性方面显示出良好的可控性和可逆性。因此，TFS可在多种应用中是有用的，这些应用包括用作可重复使用的表面，该表面用于产生图案的各种可润湿性梯度。如图6A所示，为了开发作为能够实现不同润湿性的可重复使用的智能表面的TFS的能力，该表面按以下顺序从左到右分为三部分：I.具有微柱结构的TFS；II.用HCl熏蒸30秒的TFS；III.用HCl熏蒸60秒的TFS。可以看出，通过调节表面极性，可以在同一表面上实现在相同方向上从超疏水性到几乎亲水性的梯度润湿(图6B和图6C)。重要的是，由于表面化学的优异可控性和可逆性，TFS可以重复使用。

如图6D所示，在HCL熏蒸期间，使用掩模来部分覆盖TFS表面。掩模具有穿过其限定的“H”和“K”形状的开口。这样，仅通过这些开口保持暴露的表面的部分被HCl熏蒸并变为亲水性。之后通过用带有羧酸基团的亲水性AIE纳米粒子水溶液快速刷洗表面进行酸蒸，发现更多的亲水AIE纳米粒子保留在亲水的“HK”部分而不是剩余的超疏水区域。该实验证实了羧酸基团和亲水性熏蒸区域之间的强烈粘附。

图6E至6H中，在TFS上产生了不同润湿性图案，并且所得的图案成功地实现了对水滴散布行为的控制。在图6E中提供了用于在TFS上创建润湿性图案的示例性过程的示意图。用具有两个平行开口的掩膜覆盖表面，然后用HCl熏蒸。由此，在疏水性表面上获得了两个亲水性的条带。剩余的疏水性表面的覆盖部分的CA为146°。两个条带代表亲水区的CA为约80°。

化学结构化表面上小液滴的形状由液滴的界面自由能和表面上的润湿性图案的相互作用决定。图6F示出了液滴散布在异质表面上的数值结果。通过使用Shan-Chen型多相晶格Boltzmann方法建立了三维模型。从结果可以看出，在液滴达到平衡状态后，从顶部看，其呈对称的“H”形。图6G示出了在自然光下的实验结果，其与数值结果相似。使用带图案的TFS获得了液体的“H”形。可以看出，通过使用掩模和几秒或几分钟的酸熏蒸，可以在TFS上轻松获得润湿性图案。如图6H所示，在图6E中的水滴中注入AIEgen Orange分子，并在UV照射(UV激发(365nm))下捕获荧光图像。在这张荧光照片中，清楚地捕获了AIEgen Orange的荧光发射。同时，TFS的紫外线发射是不可见的，并且不会干扰荧光数据的收集。因此，TFS也可能是使用其他荧光染料的合适选择。

实施例6

控制细菌粘附性

在具有不同润湿性的TFS上测试细菌的粘附行为。已证明可通过润湿性调节细菌粘附行为。

大肠杆菌(E.coli.)细菌(来自ATCC)。将其在Luria-Bertani(LB)培养基中于37℃以200rpm的振荡速度培养过夜。通过以8000rpm离心3分钟来收获细菌，并用PBS洗涤两次。在酶标仪(Tecan，infinite M200，Switzerland)上在600nm下测定细菌悬浮液的光密度。将所有样品分别置于24孔板中。在每个孔中加入300μL(10⁶CFU/mL)的细菌培养物，然后将板在37℃静态孵育3小时。样品用生理盐水洗涤两次，并用2.5μL

9(S34854，Invitrogen)染料溶液(3μM)染色15分钟。用生理盐水洗涤两次后，使用共聚焦显微镜(Zeiss LSM 710激光扫描共聚焦显微镜)对样品进行成像。附着细菌细胞的数量表示为六个图像的平均值±标准差细菌计数。使用软件ImageJ进行统计分析。

图7A至7D提供了用

9染色的被吸附大肠杆菌的荧光图像。对CA约为55°的裸露硅基板上的大肠杆菌进行的研究表明，细菌粘附不多(图7A)。在TFS上观察到大肠杆菌粘附力显著增加，CA为105°(图7C)。与裸露硅基板相比，在TFS上大肠杆菌的附着量增加了292％，如图7E所示。对于大肠杆菌在HCl气相TFS(CA＝80°)上的粘附，与未熏蒸功能化表面相比，大肠杆菌的粘附量显著降低了72％(图7D和7E)。如图7B和7E所示，该大肠杆菌粘附行为差异不是由酸蒸气本身引起的。

对TFS上的大肠杆菌粘附的研究表明，智能的AIEgen功能化表面具有通过调节表面润湿状态来控制细菌粘附行为的能力。因此，可以使用具有可调节的表面物理和化学特性的智能表面来调节生物粘附力。

实施例7

具有不可逆润湿性的永久性功能化表面

浸酸后，TFS的润湿性变化可能是不可逆的。如图8A所示，硅片的静态CA最初约为55°。在通过自组装方法将硅片用TPI-Si功能化后，TFS的CA稳定在105°(图8B)，这表明了表面的疏水性。当将TFS浸入乙酸中约3分钟时，表面的CA降低至约95°并且在两个月后保持在约95°，如图8C所示。当将TFS浸入盐酸中约5秒时，表面的CA降低至约85°，并在两个月后保持在约85°，如图8D所示。

如图所示。如图9A至图9D所示，具有微柱结构的TFS产生了不同的不可逆润湿性。在使用TPI-Si对微柱状结构的硅基板进行功能化后，CA可稳定于156°左右，如图9A所示。当将具有微柱状结构的TFS浸入乙酸中约3分钟时，表面的CA降低至约123°并且在两个月后保持在约120°，如图9B所示。当将具有微柱状结构的TFS浸入盐酸和三氟乙酸中约5秒时，表面的CA分别降低至约110°和94°，如图9C和图9D所示，两个月后，CA分别保持在约110°和94°。

如此描述了本主题，将显而易见的是，可以许多方式修改或改变该主题。这样的修改和变型不应被视为背离本主题的精神和范围，并且所有这样的修改和变型旨在被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于酸检测的荧光化合物，其中所述化合物包括以下骨架架构：

其中R₁选自由下基团组成的组中

-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-COOH和-CHO；

其中R₂选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中R₃选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中n是0至100范围内的整数；并且

其中p是1至100范围内的整数。

2.根据权利要求1所述的化合物，其中所述化合物选自由以下结构式组成的组中：

3.根据权利要求1所述的化合物，其中R₂和R₃是相同的。

4.根据权利要求3所述的化合物，其中R₂是-H并且R₃是-H。

5.根据权利要求1所述的化合物，其中R₂和R₃是不同的。

6.根据权利要求1所述的化合物，其中在存在酸的情况下，所述化合物发射的荧光强度相对于原始强度水平是增强的。

7.一种用于检测材料的表面上存在酸的方法，包括：

用根据权利要求1所述的化合物使所述材料的表面功能化，以及

用所述化合物使所述表面功能化后，监测所述化合物发射的荧光强度；

当所述化合物的荧光强度增强时表明所述材料的所述表面存在酸。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在存在酸的情况下，所述化合物发生聚集。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述酸处于选自气态和溶液态组成的组中的一种状态。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在存在至少约10^-20M的酸的情况下，所述化合物发射的荧光强度增强。

11.根据权利要求10所述的方法，其中当所述酸与所述材料的表面接触后，在1秒到3分钟内荧光强度增强。

12.根据权利要求7所述的方法，其中所述表面是通过化合物在所述材料表面发生自组装而被功能化的。

13.一种基板，其包括荧光化合物功能化表面，所述荧光化合物包括以下骨架架构：

其中R₁选自由下基团组成的组中

-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-COOH和-CHO；

其中R₂选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中R₃选自由下基团组成的组中

-H、-(CH₂)_nCH₃、-F、-Cl、-Br、-I、-OH、-COOH和–CHO；

其中n是0至100范围内的整数；并且

其中p是1至100范围内的整数。

14.根据权利要求13所述的基板，其中所述基板选自由硅、玻璃和石英组成的组。

15.根据权利要求13所述的基板，其中所述化合物选自由以下结构式组成的组中：

16.根据权利要求13所述的基板，其中在存在酸的情况下，所述化合物发射的荧光强度相对于原始强度水平是增强的。

17.根据权利要求16所述的基板，其中当所述酸与所述材料的表面接触后，在1秒到3分钟内荧光强度增加，并且其中在与酸的接触结束厚度3分钟到45分钟内，荧光强度可以恢复到原始强度水平。

18.根据权利要求13所述的基板，其中所述功能化表面在初始状态下是不可润湿的、细菌可吸附的表面。

19.一种改变根据权利要求18所述的基板的所述功能化表面的润湿性的方法，包括：

用酸接触所述功能化表面，以提供可润湿的酸接触后的表面。

20.一种降低细菌在根据权利要求18所述的基板的所述功能化表面的粘附性的方法，包括：

用酸接触所述功能化表面，以提供可润湿的酸接触后的表面。

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