百年高分子系列:荧光技术在高分子的应用和展望

2020年是Staudinger博士提出高分子这个概念的第一百年。为了纪念这个高分子领域的首个百年,美国化学协会的高分子顶级期刊《ACS Macro Letters》推出了高分子科学百年的专题系列(100th anniversary of macromolecular science viewpoint), 并邀请了行业内各个研究方向的专家学者对相关的领域进行了回顾和展望。

百年高分子系列:荧光技术在高分子的应用和展望

该系列的最新一期是由美国南密西西比大学的Qiang Zhe 教授以及西北大学的Wang Muzhou教授联合撰写完成。两位教授各自带领的课题组团队均主攻于荧光技术在高分子科学与工程中的应用。文章首先探讨了荧光相关的表征技术的机理和应用场景,然后详细介绍了单分子超高清荧光显微镜对于近十余年高分子的深远影响。最后,随着科学技术的不断交替进步与发展,他们还对该领域对于下一个高分子百年的贡献进行了展望。

分子的荧光原理其实是一个相对简单易懂的物理现象:当一个分子吸收某个波长的入射光之后进入了激发态,而在退激发的过程中发射出了荧光并且自然的回到了之前的稳定态。荧光的强度和波谱会因为分子周围纳米级的环境而被影响。因此,荧光技术的运用在高分子科学中是多个维度和层面,不仅有着广泛的材料应用(如荧光显色剂),更可以表征高分子链段的局部物理性质以及高分子的纳米结构。

百年高分子系列:荧光技术在高分子的应用和展望

曾几何时,科学家们坚信光学显微镜是无法清晰的观察到150纳米以下的材料结构 (“optical diffraction limitation”),然而单分子超高清显微镜的发明(2014年被授予诺贝尔化学奖)彻底打破了这个曾经对于光学表征局限性的理解。通过不同的物理,化学手段和显微镜技术的提高,如今荧光显微镜的分辨率最高可到达5纳米甚至更小。这个领域比较代表性的贡献和发明包括Eric Betzig团队的光敏定位显微镜(photoactivated localization microscopy,PALM), Stefan Hell团队的受激发射损耗荧光显微术 (stimulated emission depletion microscopy,STED),  W.E. Moerner团队的单分子定位显微镜 (single-molecule localization microscopy,SMLM),以及华人科学家庄小威团队的随机光学重建显微法(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy,STORM)。虽然类似技术已在生物学科和医学领域慢慢普及,对于高分子学科而言,荧光技术的贡献正在冉冉升起,并且更多的是集中在最近的这十年。

百年高分子系列:荧光技术在高分子的应用和展望
图1:用荧光技术用来高清晰度的观察嵌段共聚物的自组装形貌。

 

举例而言,超高清技术正被用来观察嵌段共聚物薄膜状态的形貌,超分子的纳米纤维结构,分子结晶驱动的自组装结构以及单根高分子链段的结构特征等等。这些研究证明了荧光显微镜技术作为一个非常温和的表征手段,在不伤害材料本身的性能以及化学性质的情况下,得到了可以和传统透射电镜以及原子力显微镜相媲美的高清晰度。

百年高分子系列:荧光技术在高分子的应用和展望
图2:不同的超高清单分子荧光显微镜的技术方法对于高能分子纳米结构原位实时观察的实现。

 

除此之外,荧光显微镜技术还提供了很多普通的材料形貌结构表征手段无法轻易得到的物理信息。这其中就包括了:1)单根高分子的分子链取向,并用来研究分子层面的各项异性的行为;2)高清晰的三维形貌扫描,对材料纳米尺度的结构有全面的认知和表征;以及3)单分子或者纳米结构的原位实时监测,不仅可以得到每个分子的弥散系数等性质,也可以用来研究在加工过程中,纳米层面的残缺点是如何被移除和消灭的。这也从而实现了高分子科学家们的一个理想-“visualizing self-assembly processes”。定量化的在线观察和分析如何去除纳米级残缺点对于如今正火的半导体芯片技术以及对应的大规模生产也是非常重要的。

在文章的末端,两位作者也提供了一些对于这个研究领域未来发展可能性的思路和畅想。其中就包括了如何进一步提高显微镜技术的分辨率,如何运用一些最新的荧光分子(比如AIE,或者mechanophores)去表征更为复杂的材料性能,以及与其他先进表征手段相结合的机会和可能性。最后,他们也提到了作为一个多学科交叉的研究领域,荧光显微镜技术在高分子领域的突破发展需要光学,物理,化学等各行各业的专家一起贡献完成。对于这一个正在迅速发展的领域,完全有理由期待他们在高分子未来的变得更加的重要和有意义。

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.0c00506

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