科研进展|上科大物质学院章跃标教授联合团队研发客体适应分子传感材料

高灵敏、快响应、多模式的气体传感材料是人类呼吸生物标志物（如丙酮、丁烷等有机小分子）精准检测的必要基础，有望应用于人类重大疾病（如肺癌）的早期诊断。动态共价有机框架（dynaCOF）是一种将有机构筑基元通过可灵活转动的共价键链接而成的柔性多孔晶体，可对多种客体表现出不同动态结构响应。近期，上海科技大学物质科学与技术学院章跃标、马延航、赵英博联合团队成功构筑了荧光响应的动态共价有机框架，该材料对多种气态有机分子展现出广谱、快速、稳定的自适应吸附和多重荧光响应。相关成果近期发表在综合性国际期刊Nature Communications上。

本研究构筑了一例新型的荧光多孔材料dynaCOF-330，其对丙酮蒸汽表现出自适应吸附和灵敏的荧光点亮-增强的行为。同步辐射PXRD分析表明，dynaCOF-300中的孔道在表面吸附过程结构先保持菱形，再进一步膨胀为四方形；进入限域孔道中丙酮分子对蒽分子振动的限制是产生荧光增强的原因。

低极性的丁烷气体与传感材料相互作用弱，在常温常压和湿度环境下难以进行荧光检测。dynaCOF-330可提升丁烷气体的自适应吸附荧光响应，在干燥条件下检测限可达2%。环境湿度不仅没有干扰dynaCOF-330的丁烷检测，还将其检测限由2%进一步提升到1%（53% RH），且响应速度快（仅需1s）、循环检测稳定（>200次循环）。

对不同极性有机蒸汽，dynaCOF-330在吸附过程中呈现不同程度的荧光增强，有望实现对多种有机分子的特异性识别和浓度监测。

图1. 动态共价有机框架的自适应吸附和多样化荧光响应

图2. 自适应吸附dynaCOF-330的荧光响应和动态结构变化：a. 样品吸附丙酮蒸汽的荧光点亮和增强效应；b. 不同蒸汽压力下的原位荧光光谱；c. 不同客体吸附量的准原位晶体结构变化。

图3. COF对不同有机蒸汽/气体的荧光响应。a. COF对不同极性有机蒸汽在不同蒸汽压力下的荧光响应。b. COF对饱和烷烃C6异构体在不同蒸汽压力下的荧光响应。c. COF对湿的丁烷气体的荧光响应更灵敏。d. COF对湿丁烷气体的荧光响应的循环稳定性测试。

本项工作中，上科大物质学院博士后魏蕾和孙凸博士（已毕业）为共同第一作者；章跃标教授、马延航教授和赵英博教授为共同通讯作者；姜珊教授和其课题组研究生许泽照参与项目的模拟计算工作，为共同作者。上科大为第一完成单位。该工作项目受到了国家自然科学基金委、上海市科委和上科大“双一流”学科建设基金的资助，得到了上海光源、物质学院电镜中心、物质学院分析测试平台的技术支持。

论文标题:

Guest-adaptive molecular sensing in a dynamic 3D covalent organic framework

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35674-8