微环境中的离子动态对宏观系统行为影响深远，但因其复杂性和隐蔽性，长期以来，实时监测这些过程并建立其与宏观现象的关联始终是科研难题。近日，香港科技大学与香港中文大学（深圳）唐本忠院士团队以聚合物乳液为研究对象，证实了利用荧光技术追踪微环境中酸分子迁移动态的可行性，相关成果发表于JACS。
研究核心：荧光探针与离子动态监测
团队设计了一种具有强供体 – 受体（D-A）效应的酸敏荧光探针 ——TPE-DMA-MN。该探针的关键特性在于，盐酸分子的质子化与去质子化作用可精准调控其分子内电荷转移程度，使荧光发射波长发生显著变化：从近红外光区跃迁至可见黄光波段，位移超过 200 纳米，且肉眼可清晰分辨。
将此探针加入阳离子型聚氨酯分散体后，团队成功实时观测到了离子化双电层崩塌引发的酸迁移及酸蒸发过程，并通过关联微观离子动态与宏观成膜过程，构建出一个高效的数字化监测平台，实现了对聚合物乳液干燥及后固化进程的高对比度、高精度追踪。
创新突破：三大核心成果
1.离子响应型荧光转换机制
基于酸刺激调控的 D-A 强度变化，TPE-DMA-MN 实现了超 200 纳米的荧光波长位移，可在不可见红外光与可见黄光间精准切换，为动态离子过程监测提供了高灵敏度的荧光技术支撑。
2.聚合物乳液成膜离子动态的可视化
首次实现了聚合物乳液成膜过程中关键离子动态（如双电层破坏、离子迁移、去离子化）的宏观可视化，突破了传统方法难以直接观测微观离子行为的局限，为成膜机理研究开辟了新路径。
3.数字化离子动态监测平台
通过关联微观离子过程与宏观成膜行为，团队首创以低成本灰度信号为核心的实时监测平台，实现了聚合物乳液成膜过程的高效、精准数字化监测。该技术操作简便、成本低廉，为聚合物乳液的理论研究与工业应用提供了全新工具。
研究背景：离子动态的重要性与监测难点
在生命科学与材料科学领域，微环境中的离子动态普遍存在且意义重大。例如，生物系统中著名的 “玻尔效应” 便体现了酸分子迁移对血红蛋白氧结合能力的调控；而在材料科学中，离聚物的离子迁移、离子交换树脂的离子交换等过程，直接影响材料的导电性、响应性等宏观性能。
聚合物乳液作为重要的离聚物，其成膜过程（从分散的乳液颗粒形成具有机械强度的薄膜）涉及水蒸发、粒子相互作用等微观事件，更伴随复杂的离子动态（如双电层崩塌引发的酸碱迁移、后固化中的离子对去离子化）。但传统监测方法（如显微技术、光谱 / 质谱分析、SERS、太赫兹光谱等）存在局限性：或无法实时监测，或依赖复杂设备，或受限于特定环境，难以满足高样品耐受性、操作简便、低成本的需求。
实验设计：从探针合成到成膜监测
聚合物分散体的制备
团队合成了三种不同离子特性的聚氨酯分散体（PUDs）：阴离子型（APUD）、非离子型（NPUD）和阳离子型（CPUD）。三者因亲水段不同，稳定机制存在差异：APUD 依赖羧酸盐 – 铵离子对形成的双电层，NPUD 依赖聚乙二醇（PEG）亲水层，CPUD 则依赖铵盐 – 氯离子对形成的双电层，这为对比研究成膜过程中的离子动态提供了理想模型。
荧光探针的响应特性
TPE-DMA-MN 的二甲氨基（DMA，富电子供体）与丙二腈（MN，缺电子受体）构成 D-A 结构：
- 未加酸时，强 D-A 效应使其发射近红外荧光（713 nm）；
- 加入盐酸后，DMA 质子化变为缺电子基团，D-A 效应减弱，荧光蓝移至 550 nm（溶液呈浅黄色）；
- 加入三乙胺（TEA）后，结构恢复，荧光红移回近红外区。
这一动态转换特性为监测酸分子迁移提供了分子基础。
(a) 示意图说明了聚合物乳液膜形成过程中与酸相关的过程。 (b) 设计的荧光探针具有D-A结构，显示酸的响应性。 (c) 示意图说明了使用荧光探针监测与酸相关的过程。
成膜过程的实时监测
将 TPE-DMA-MN 引入三种 PUDs 后，团队发现：APUD 和 NPUD 成膜过程中荧光变化微弱，而 CPUD 表现出显著动态：
- 湿膜初始发射不可见近红外荧光；
- 干燥过程中，随水分蒸发、双电层破坏，酸迁移使探针质子化，荧光蓝移至 501 nm（黄色，位移 213 nm）；
- 后固化（60°C）时，酸蒸发导致探针去质子化，荧光红移回 708 nm（近红外，位移 207 nm）。
这一过程清晰反映了双电层破坏 – 酸迁移 – 酸挥发的完整离子动态。
- 制备的阴离子聚氨酯分散体（APUD），具有羧酸盐-铵离子对。 b. 制备的非离子聚氨酯分散体（NPUD），含有聚乙烯醇段。 c. 制备的阳离子聚氨酯分散体（CPUD），具有铵-氯离子对。
数字化监测平台与应用前景
基于荧光信号的灰度变化，团队构建了实时数字化监测平台，可将成膜过程划分为干燥（3 个阶段）与后固化（4 个阶段），并与重量法监测的水分蒸发率高度吻合，验证了方法的可靠性。该平台不仅能追踪传统聚氨酯乳液成膜，还成功应用于 CO₂基聚氨酯分散体（CO₂-PUD），证实了其普适性。
此项研究为复杂微环境中离子动态的实时监测提供了创新方法，有望在生命科学（如细胞内离子调控）、材料科学（如功能涂层制备）等领域发挥重要作用。
论文信息：
标题：Unveiling Migration Dynamics of Acid Molecules in Microenvironments via Fluorescence Signal: A Case Study in Polymer Emulsion Film Formation
第一作者：香港科技大学汪金博士、欧新文博士、邓子豪博士
通讯作者：香港科技大学郭子健教授、林荣业教授，香港中文大学（深圳）及香港科技大学唐本忠院士
本文旨在科普交流分享，如需引用或转载，请注明文章原始链接。如需论文原文请与我们联系。
