三联噻吩衍生物功能化SiO2反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用

doi:10.7503/cjcu20210307

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (9): 2989.doi: 10.7503/cjcu20210307

三联噻吩衍生物功能化SiO₂反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用

李然¹^,², 张旭东¹, 穆丽丹¹, 孙童¹, 艾刚刚², 沙夜龙², 张玉琦¹(), 王记江¹

^1.延安大学化学与化工学院, 延安市新能源新功能材料重点实验室, 陕西省化学反应工程重点实验室, 延安 716000
^2.延安油气产品质量检验检测有限责任公司, 延安 716000

收稿日期:2021-04-30 出版日期:2021-09-10 发布日期:2021-09-08
通讯作者: 张玉琦 E-mail:yqzhang@iccas.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21663032);陕西省技术创新引导专项计划项目(2020QFY09-03);国家级大学生创新创业训练计划项目(201910719053)

Preparation and Application of Triplethiophene Derivative Functionalized SiO₂ Inverse Opal Photonic Crystal Fluorescent Films

LI Ran¹^,², ZHANG Xudong¹, MU Lidan¹, SUN Tong¹, AI Ganggang², SHA Yelong², ZHANG Yuqi¹(), WANG Jijiang¹

^1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Yan’an Key Laboratory of New Energy & New Functional Materials，Shaanxi Key Laboratory of Chemical Reaction Engineering，Yan’an University，Yan’an 716000，China
^2.Yan'an Oil and Gas Products Quality Inspection and Testing Co. Ltd. ，Yan’an 716000，China

Received:2021-04-30 Online:2021-09-10 Published:2021-09-08
Contact: ZHANG Yuqi E-mail:yqzhang@iccas.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21663032);the Natural Science Fundamental Research Program Key Projects of Shaanxi Province, China(2020QFY09-03);the National Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students, China(201910719053)

摘要/Abstract

摘要：

将单分散聚苯乙烯微球乳液与SiO₂溶胶均匀混合后, 于恒温恒湿条件下, 竖直沉积共组装制备得到蛋白石型光子晶体薄膜, 然后利用牺牲模板法制得SiO₂反蛋白石光子晶体薄膜. 该薄膜依次经过浓硫酸与过氧化氢混合液、 3-氨丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液、三联噻吩的三氯甲烷溶液和硼氢化钠的甲醇溶液处理后, 得到三联噻吩衍生物功能化的SiO₂反蛋白石光子晶体. 结果表明, 制备得到的光子晶体薄膜在512 nm处有荧光发射, 经紫外辐射后荧光猝灭, 甲醛气氛下458 nm处又出现新的荧光发射峰. 在甲醛气氛下20 s即可观察到荧光发射, 空气氛围下可恢复, 10次循环仍可保持强的荧光发射, 可重复性良好. 以无反蛋白石光子晶体结构的三联噻吩衍生物的平滑膜与甲醛作用的体系作为参比, 以330和400 nm聚苯乙烯微球为模板制备的三联噻吩功能化反蛋白石光子晶体, 在甲醛气氛中发射的荧光分别增强47.5和78.6倍. 这是由于光子晶体光子禁带的红带边和蓝带边与荧光发射波长相重叠, 产生了慢光子效应, 极大地增强了发射的荧光强度.

关键词: 反蛋白石光子晶体, 三联噻吩衍生物功能化, 慢光子效应, 荧光传感

Abstract:

The as-prepared SiO₂ inverse opal photonic crystal（IOPC） was sequentially treated with the mixture of concentrated sulfuric acid and hydrogen peroxide， toluene solution of 3-aminopropyl trimethoxy silane， chloroform solution of trithiophene derivative（denoted as 3T） and methanol solution of sodium borohydride to obtain a 3T-functionalized SiO₂ IOPC. The resulting photonic crystal（PC） film emits fluorescence at 512 nm and the fluorescence quenches at UV radiation. A new fluorescence emission can be observed at 458 nm when the IOPC film is subsequently exposed to formaldehyde atmosphere. The fluorescence can be observed in 20 s in formaldehyde vapor and will quench in air atmosphere. The IOPC film can maintain strong fluorescence after ten cycles when alternately exposed to formaldehyde vapor and air， showing a good repeatability. Taking trithiophene derivative smooth film without IOPC structure as a control sample， the fluorescence of 3T-functionalized IOPC films fabricated from polystyrene microspheres templates of 300 and 400 nm was enhanced by 47.5 and 78.6 times in formaldehyde vapor， respectively. This is because the fluorescence emission wavelength is overlapped with the red and blue band-edge of the PC’s photonic stopband， resulting in the slow photon effect and enhancing the fluorescence intensity remarkably. The fabricated 3T-funtionalized SiO₂ IOPC in this work provides a novel strategy for the preparation of photonic crystal fluore-scent film sensors.

Key words: Inverse opal photonic crystal, Triplethiophene derivative functionalization, Slow photon effect, Fluorescence sensing

中图分类号:

O611

TrendMD:

李然, 张旭东, 穆丽丹, 孙童, 艾刚刚, 沙夜龙, 张玉琦, 王记江. 三联噻吩衍生物功能化SiO₂反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2989.

LI Ran, ZHANG Xudong, MU Lidan, SUN Tong, AI Ganggang, SHA Yelong, ZHANG Yuqi, WANG Jijiang. Preparation and Application of Triplethiophene Derivative Functionalized SiO₂ Inverse Opal Photonic Crystal Fluorescent Films. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2989.

图/表 8

Scheme 1 Schematic illustration for preparing 3T?SiO2 IOPC film and fluorescence emission mechanism of the film exposed to UV irradiation and formaldehyde vapor

Fig.1 Fluorescence spectra of the different films of IO?3T(A), IO?3T?hν(B) and IO?3T?hν?HCHO(C)

Fig.2 SEM images of different films of PC300(A), PC400(B), PC450(C), FNon(D), IOPC300(A′), IOPC400(B′), IOPC450(C′) and PFNon(D′)

Fig.3 Reflectance spectra of different films

Fig.4 Static contact angles of the different films(A) and XPS spectra of different films(B)

Fig.5 Fluorescence emission spectra of 3T?SiO2 IOPC400 exposure to UV light at different times in the air(A) and the subsequent exposure to HCHO vapor at different time(B)Insets： the fluorescence intensity at 512 nm（A）（λex=360 nm） and 458 nm（λex=364 nm）（B） at different exposed time.

Fig.6 Fluorescence intensities at ca. 458 nm for different 3T?functionalized films exposed to HCHO vapor under saturated pressure(λex=364 nm, λem=458 nm)

Fig.7 Selectivity(A) and reusability(B) of 3T?SiO2 IOPCa. Formaldehyde; b. acetonitrile; c. acetone; d. tetrahydrofuran; e. dichloromethane; f. chloroform; g. acrylonitrile;h. toluene; i. benzene; j. n?Hexane; k. methanol; l. ethanol; m. ethyl ether; n. ethyl acetate.

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三联噻吩衍生物功能化SiO₂反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用

Preparation and Application of Triplethiophene Derivative Functionalized SiO₂ Inverse Opal Photonic Crystal Fluorescent Films

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