納米粒子(NPs)在催化、生物醫(yī)學(xué)及能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,但其性能高度依賴于表面配體的穩(wěn)定性和功能多樣性。傳統(tǒng)配體,例如硫醇配體通過金-硫鍵(結(jié)合能126 kJ/mol)穩(wěn)定金納米粒子(AuNPs),但在強(qiáng)酸、高溫或氧化環(huán)境中易斷裂失效,極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。氮雜環(huán)卡賓(NHCs)憑借強(qiáng)σ供體特性能夠與金屬形成更穩(wěn)定的金屬-碳鍵,但其高反應(yīng)活性與功能基團(tuán)的兼容性問題阻礙了NPs的多功能化設(shè)計(jì)。復(fù)旦大學(xué)聶志鴻與桑玉濤團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“多氮雜環(huán)卡賓(NHCs)錨定+活性酯功能化”的雙模塊策略,不僅解決了NPs在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性難題,還實(shí)現(xiàn)了表面功能的精準(zhǔn)定制。
雙模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性與功能化協(xié)同
該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的聚合物配體由兩個(gè)功能模塊組成(圖1a):
1. 穩(wěn)定模塊(多NHCs嵌段):含多NHCs的嵌段通過多點(diǎn)配位形成“超強(qiáng)錨鏈”,賦予NPs卓越的環(huán)境耐受性。實(shí)驗(yàn)表明,功能化后的AuNPs可在極端pH(0-14)、寬溫域(-78°C至100°C)及高鹽濃度(1000 mM NaCl)下保持穩(wěn)定(圖3a-d)。
2. 功能模塊(聚活性酯嵌段):聚五氟苯酯(PPFPMA)嵌段通過氨解反應(yīng)原位引入引入羧基、氨基、雙鍵等活性基團(tuán),實(shí)現(xiàn)NPs表面化學(xué)特性的精準(zhǔn)定制(含單/多官能化模式)。
圖1. 含NHC的聚合物配體增強(qiáng)NPs功能化穩(wěn)定性和反應(yīng)性的示意圖。(a)共聚NHCs聚合物配體接枝AuNPs的示意圖以及AuNPs的單官能化和雙官能化示意圖和相應(yīng)的TEM圖像。(b)單NHC聚合配體和(c)均聚NHCs聚合物配體接枝NPs的示意圖及TEM圖像。(d)AuNPs表面氨解功能化示例的示意圖以及功能化AuNPs間的化學(xué)相互作用。
氨解反應(yīng)機(jī)制與影響因素
圖2. 共聚NHCs接枝AuNPs的表面氨解。(a)AuNPs@PPFPMA113-MNHC與各種氨基分子氨解的紫外-可見光譜。NH2-PEG氨解AuNPs@PPFPMA113-MNHC前后的(b)F 1s和(c)C 1s的XPS信號圖。(d)AuNPs@PPFPMA113-MNHC氨解前的19F NMR光譜以及用(e)NH2-PEG和(f)乙胺氨解的反應(yīng)和相應(yīng)的19F NMR光譜。(g)AuNPs@P(PFPMA-r-St)-b-PMNHC經(jīng)NH2-PEG氨解的反應(yīng)和相應(yīng)的19F NMR光譜。
穩(wěn)定性與反應(yīng)活性
圖3. 氨解后AuNPs的穩(wěn)定性。NH2-PEG氨解的AuNPs在(a)不同濃度的NaCl溶液中保持48小時(shí),以及(b)在不同溫度下保持16小時(shí)的紫外-可見光譜。(c)NH2-PEG氨解的AuNPs和SH-PEG修飾的AuNPs在不同pH環(huán)境下保持48小時(shí)的照片。(d)NH2-PEG氨解的AuNPs和(e)SH-PEG修飾的AuNPs在不同pH環(huán)境下保持48小時(shí)的UV-Vis光譜。插圖展示了半高全寬(FWHM)隨pH的變化。
圖4.功能化NPs的反應(yīng)性。(a)單功能化AuNPs,(b)雙功能化AuNPs和(c)檸檬酸鹽包覆的AuNPs的示意圖,(d)35.5 ± 2.2nm氨基官能化AuNPs和18.3 ± 2.5nm檸檬酸鹽包覆的AuNPs之間通過靜電相互作用介導(dǎo)的二元NPs組裝的TEM圖像。(e)35.5 ± 2.2nm雙鍵官能化AuNPs通過加成聚合反應(yīng)組裝的SEM圖像。(f)35.5 ± 2.2 nm醛官能化AuNPs和18.3 ± 2.5 nm氨基官能化AuNPs通過席夫堿反應(yīng)介導(dǎo)的之間二元NP組裝的SEM圖像。(g)35.5 ± 2.2nm共軛二烯官能化AuNPs和18.3 ± 2.5nm碳碳雙鍵官能化AuNPs通過D-A反應(yīng)介導(dǎo)的之間的二元NP組裝SEM圖像。比例尺為100 nm。
普適性驗(yàn)證
圖5. Fe3O4和NaYF4 NPs的表面功能化。(a, b)Fe3O4@PPFPMA113-MNHC和(c, d)NaYF4@PPFPMA113-MNHC在NH2-PEG氨解前后的TEM圖像。(e)Fe3O4@PPFPMA113-MNHC和(f)NaYF4@PPFPMA113-MNHC在NH2-PEG氨解前后的F 1s的XPS信號圖。(g)Fe3O4@PPFPMA113-MNHC和(h)NaYF4@PPFPMA113-MNHC在NH2-PEG氨解前后的C 1s的XPS信號圖。比例尺為100 nm。
研究價(jià)值與未來展望
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202419640
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