Lanthanide Antenna Amplifier Multiplies the Optical Sensing Efficiency in Phototautomeric Metal–Organic Frameworks

化学 镧系元素 放大器 天线(收音机) 金属有机骨架 金属 光电子学 电信 有机化学 离子 CMOS芯片 物理 吸附 计算机科学
作者
Weijie Zhang,Wen-Zhu Sun,Ji-Tong Xu,Bei‐Qi Ou,Wan-Qing Zhou,Ling Chen,Jia‐Wen Ye,Mei Pan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (20): 17486-17496 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04171
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) incorporating phototautomeric ligands have shown significant potential for new-generation optical sensing devices. It is challenging to enlarge the energy difference of tautomers, which is crucial for improving the sensing efficiency. Herein, we report a novel tactic to amplify the excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) effect via the "antenna effect" in lanthanide sensitization. Specifically, by leveraging the enol (E)-keto (K) phototautomerization process, we achieve precise manipulation of the energy gap between the lowest ligand triplet state and the Eu(III) emitting level through fine-tuning. As a result, the small wavelength shift (10 nm) between the E* and K* emissions is amplified into an approximately 65-fold intensity change in Eu(III) emission. This enhancement is accompanied by a significantly lowered limit of detection (LOD: 0.53 μg/L) and improved sensitivity (0.6955% RH-1) in real-time humidity monitoring across a broad linear detection range (0-95.0% RH). Computational simulations and single-crystal analyses demonstrate two key mechanisms: (1) the appropriate hydrophilic/hydrophobic distribution in the MOF cavity facilitates rapid hydration/dehydration and (2) H2O desorption/adsorption-dependent ESIPT switching governs the deactivation/activation of the Eu(III) 4f excited state. This work presents an optimization approach to enhance energy utilization in MOF-based optical sensing.
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