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同济大学闫冰教授团队| 镧系功能化氢键有机框架杂化材料：光响应传感、智能应用及仿生设计

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-09-29 09:08

正文

近日，同济大学闫冰教授团队的AMR述评文章“Lanthanide Functionalized Hydrogen-bonded Organic Framework Hybrid Materials: Luminescence Responsive Sensing, Intelligent Applications and Biomimetic Design”在线发表。文章总结了功能化氢键有机框架（HOFs），尤其是镧系功能化HOFs（Ln@HOFs）杂化材料在光响应传感、智能应用及仿生设计领域的研究进展，同时对功能化HOFs材料的挑战和前景进行了展望。

关键词：镧系功能化氢键有机框架，光响应传感，机器学习，仿生设计

Functionalized HOFs refer to hybrid materials in which foreign functional species are incorporated into the framework of HOFs through strategies including ion exchange, coordination postsynthetic modification (PSM), and in situ composition to impart specific functionalities.

文章内容简介

HOFs作为一种新兴的晶态多孔材料，主要由纯有机或金属有机构建单元通过氢键相互作用构筑而成，框架可通过范德华力、静电、π-π、C-H···π相互作用等进一步强化。功能化HOFs是指通过离子交换、配位后合成修饰和原位合成等策略将外来功能物种引入HOFs框架以赋予其特定功能的杂化材料。发光功能化HOFs可以产生丰富的发光中心，能对特定的分析物或刺激表现出敏感的光响应变化（开、关或比率变化）。这些特性使功能化HOFs材料和器件能够实现对各种化学刺激甚至物理刺激的传感。Ln@HOFs作为功能化HOFs最重要的亚类之一，集成了HOFs固有的光致发光和Ln³⁺离子的特征发射，是一类优异的光响应传感材料。功能化的HOFs能够通过可观察到的光信号变化（如增强、淬灭和发射峰移）对外部化学物质和物理刺激做出反应，从而有助于实现高选择性和独特的发光（荧光/磷光）能力。

在传感技术智能化发展的时代，机器学习（ML）方法广泛应用于光响应传感领域。ML算法可以帮助解决功能化HOFs光响应传感中的聚类和多元分类问题，大大提高了传感器的通用性。在进一步的智能应用中，机器学习还可以支持构建智能分析平台，实现传感基板的实时、现场、高精度、高效、高选择性的智能分析。并且，由于HOFs材料优异的溶液加工性能，HOFs很容易制成柔性薄膜器件。功能化HOFs器件可以作为仿生传感器的设计载体。

该述评总结了功能化HOFs材料用于典型分析物包括气体、有机污染物、致癌物、杀虫剂、药物、生物标志物及温度的传感。文章进一步探究了将HOFs材料与机器学习相结合的智能应用，包括智能防伪、潜在指纹识别、智能手机识别、智能逻辑器件和智能分析平台。该文还探索了基于各种功能化HOFs器件构建用于化学和物理刺激传感的仿生传感器。作者还对功能化HOFs材料的挑战和前景进行了展望，以期促进其在光响应传感领域的更进应用。

AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

HOFs作为一种新兴的晶态多孔材料，其框架可控的孔径和规则的孔结构可以促进客体发光物质的封装。此外，HOFs结构中存留的氢键供体/受体单元和弱相互作用（如静电相互作用）的存在使外来物种能够与HOFs结合以制备功能化的HOFs。由于功能化HOFs具有强烈的荧光和磷光发射、优异的后合成功能化性质、出色的溶液加工性能、良好的发光稳定性、特异性识别能力以及优异的生物相容性，功能化HOFs已逐渐发展成为备受关注的光响应传感材料。Ln@HOFs作为功能化HOFs最重要的亚类之一，它集成了HOFs的固有光致发光和Ln³⁺离子的特征发射。Ln@HOFs可以对特定分析物作出响应而表现出灵敏的发光变化（开、关和比率变化）。这些特性使功能化的HOFs材料和器件能够实现对各种化学分析物甚至物理刺激的传感，这对于实际生产和应用具有十分重要的意义。

AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

构建柔性功能化HOFs光激活器件，将其应用于对化学刺激和物理刺激的传感。结合机器学习算法，实现对多重化学刺激的高效和高选择性分析，以及多维分析和聚类分析。通过模拟生物体对外界刺激的感知能力，将柔性HOFs器件可变和可调的发光性能与刺激响应相结合，构筑生物启发的仿生传感器。从而实现对化学和物理刺激传感的仿生设计，达到与自然传感系统相媲美的性能。并进一步引入人机交互技术，实现更深层次的智能应用。

AMR：请和大家分享一下这个领域可能

会出现的研究机会！

作者团队：

（1）先前报道的功能化HOFs传感器的通用性不足。一种传感器主要侧重于识别一种或两种同类分析物，而同时感测多种分析物的研究则有限。因此，利用人工智能算法开发多维感知策略在未来具有广阔的探索空间。

（2）目前，功能化HOF的光响应传感主要依赖于荧光，而磷光传感的研究尚未见报道。因此，探索使用磷光数据作为传感参数的研究有很大的研究潜力。

（3）使用功能化HOFs发光器件传感物理刺激的研究尚处于早期阶段，具有巨大的增长潜力。因此，开发用于物理刺激传感的功能化HOFs器件将成为一个热门方向。

（4）关于功能化HOFs器件的仿生设计的研究有限。鉴于功能性HOFs设备对物理刺激的感知能力和生物体对外部刺激的感知力，通过将HOFs设备与仿生相结合，HOFs的发光应用可以提升到新的高度。

作者团队简介

同济大学化学科学与工程学院

二级教授、长聘教授闫冰

1992年、1995年在哈尔滨工业大学应用化学系获工学学士和工学硕士学位，1998年在中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位（导师倪嘉缵院士与张洪杰院士）。1998年至2001年香港城市大学研究助理；北京大学、舍布鲁克大学博士后研究员。2001年11月为同济大学化学科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事稀土化学、杂化材料、微纳固体与光物理器件、光响应传感、智能检测与仿生模拟识别的应用研究工作。其中在稀土光功能杂化材料领域有系统的研究成果，系国际上在该领域的代表性研究组。作为唯一通讯作者在被SCI收录的国际主流英文期刊发表学术研究论文600余篇，不完全统计所发表论文被SCI期刊他引近20000次，H因子75。撰写英文专著2部、撰写英文专著专章1章、中文专著专章1章。现为中国稀土学会稀土发光与稀土分子材料与超分子器件两个专业委员会委员。入选教育部2008年度新世纪优秀人才支持计划，入选Elsevier中国高被引学者榜单（材料科学，2014-2019年度；化学，2020-2023年度）。入选2017年度英国皇家化学会(RSC)中国高被引作者榜单。入选2022年度英国皇家化学会(RSC)全球高被引文章目录（前1%, ICF两篇论文之一）。已培养毕业博士生28名，硕士生60名（含13名硕博连读生）。

同济大学化学科学与工程学院

博士研究生朱凯

朱凯于2021年获得华东理工大学学士学位。目前在同济大学化学科学与工程学院攻读博士学位，师从闫冰教授。主要研究方向是功能化HOFs杂化材料光响应传感，智能应用及仿生设计。

清华大学化学系

博士后研究员徐鑫

徐鑫于2017年获得河南师范大学学士学位，2020年获得河南大学硕士学位。2024年，在闫冰教授的指导下获得同济大学博士学位。现在，在清华大学做博士后研究员。主要研究方向包括氢键有机框架材料的发光传感、无机-有机杂化材料和凝胶材料的设计、合成和应用。

闫冰教授课题组合影

扫码阅读闫冰教授团队的精彩Account文章：

Lanthanide Functionalized Hydrogen-bonded Organic Framework Hybrid Materials: Luminescence Responsive Sensing, Intelligent Applications and Biomimetic Design

Kai Zhu, Xin Xu, and Bing Yan*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00218

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