分享一篇最近发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，Polymer Molecular Weight Determination via Fluorescence Lifetime。这篇文章的通讯作者为美国加州大学欧文分校的Suzanne A. Blum教授。 聚合物的分子量是其性质的关键，而控制聚合物性质的一个挑战是缺乏分子量测定的即时分析方法。传统的聚合物分子量分析方法，如凝胶渗透色谱/尺寸排阻色谱 (GPC/SEC)、核磁共振波谱、MALDI等，都有一定的局限性。例如这些方法都要求样品可溶，这阻碍了对交联/共轭聚合物的表征；并且这些方法通常需要从反应体系中分离聚合物，因此无法提供实时的分子量分析。 为了填补这些空白，本文中作者使用荧光标记聚合物开发了荧光寿命成像分析方法 (Fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)。该方法具有高的时间分辨率，可以在1 s内测定45 μm × 45 μm区域内的聚合物分子量信息，无需对样品进行分离；并且对聚合物的溶解性没有要求，可以测定交联或共轭的聚合物（图1）。图1. a) 传统分析方法的局限性；b) FLIM方法的优点和互补性 作者用降冰片烯和二环戊二烯 (DCPD) 的开环易位聚合 (ROMP) 作为模型体系研究分子量与荧光寿命之间的关系。作者选择这个体系，一方面是因为从ROMP中获得的聚合物是工业上重要的弹性体和热固性聚合物，另一方面热固性聚合物容易发生交联，给传统的分子量表征方法带来挑战，但作者认为它们将非常适合用FLIM方法表征。 为了验证荧光寿命与聚合物的分子量之间的定量关系，作者合成了一系列不同分子量的聚降冰片烯 (polynorbornene)和聚二环戊二烯 (polyDCPD)，这些聚合物中都插入了1/107的荧光标记单元，用于荧光寿命测量。为了得到分子量与荧光寿命的定量关系，作者在荧光寿命测量30 s后淬灭聚合体系，用GPC表征得到聚合物的重均分子量Mw。随着分子量的增加，Polynorbornene和PolyDCPD的荧光寿命均增加（图2c, e），并且在荧光成像中可以分辨出不同分子量聚合物在空间中的分布情况（图2b, d）。 但是目前荧光寿命与分子量关系的机制还不明确，可能来自于聚集诱导淬灭、折射率变化或其他原因。由于机制不明确，作者对校准曲线进行了经验拟合，为未知样品提供参考。polynorbornene的曲线拟合符合幂函数(R2= 0.99)，polyDCPD的曲线拟合符合对数函数(R2 = 0.95)，它们数学关系的差异目前难以解释，可能是因为polyDCPD会发生交联，而polynorbornene不会交联。 为了展示FLIM方法测定聚合物分子量的优势和互补性，作者选择了两个应用来演示：高分子量、交联、不溶聚合物分子量测定；对聚合过程实时分子量监测。 作者通过降低催化剂载量，合成了高分子量交联的polyDCPD，它不溶于GPC溶剂，因此无法用GPC表征。而用FLIM表征，该聚合物的荧光寿命约3.9 ns，作者用之前polyDCPD拟合的分子量与荧光寿命的关系曲线推算得到相应重均分子量约为710 kg/mol。 接着，作者展示了DCPD聚合过程中聚合物荧光寿命随时间的变化（图3），每个图像拍摄的时间仅约1 s。作者用拟合曲线计算了每个时间点的分子量。FLIM图像显示聚合物粒子的荧光寿命随时间呈现空间均匀变化（即相邻粒子的荧光寿命变化与分子量变化相似）。 但目前这项技术仍有三个局限性：1. 当分子量越高时，荧光寿命对分子量的变化越不敏感；2. 该方法需要首先使用其他测量仪器（如GPC）进行曲线校准；3. FLIM方法需要对聚合物添加荧光标记。 总的来说，在本文中，作者建立了聚合物荧光寿命与分子量之间的定量关系。通过拟合曲线，可以通过荧光寿命反推得到聚合物分子量。这种方式可以在1 s内得到分子量信息，可以在聚合过程中实时监测分子量的变化，并且可以表征高分子量、交联或不溶聚合物。这些实验为基于FLIM的分子量测定/可视化开辟了道路。DOI: 10.1021/jacs.2c10036Link: https://doi.org/10.1021/jacs.2c10036
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