基于荧光探针的荧光寿命变化检测聚乳酸老化后分子量的方法

本发明涉及高分子材料老化，是一种基于荧光探针的荧光寿命变化检测聚乳酸老化后分子量的方法。

背景技术：

1、聚乳酸（pla）属于可完全生物降解高分子材料，广泛应用于食品包装、医用耗材、纺织纤维、3d打印等领域。但聚乳酸在湿热、紫外、氧气、高温环境下极易发生分子链水解、热氧断裂，基体微观黏度、自由体积持续改变，材料力学、阻隔性能逐步衰减失效，因此精准定量评估聚乳酸制品老化程度是材料寿命预测、服役安全评估的核心环节。

2、现阶段行业通用聚乳酸老化表征手段包含凝胶渗透色谱（gpc）、傅里叶红外光谱（ftir）、差示扫描量热（dsc）、力学拉伸测试等。上述方法存在明显短板：gpc、力学测试属于破坏性检测，样品无法重复使用；红外、热分析灵敏度偏低，仅能表征老化中后期宏观性能变化；全部检测手段均需要复杂样品前处理，检测周期长，难以实现批量、原位快速筛查。

3、荧光探针技术作为一种高灵敏度的分析方法，已在生物成像、环境检测及材料科学等领域得到广泛应用。近年来，荧光探针技术被引入聚合物老化监测领域。例如，现有技术中已有报道通过掺杂荧光探针并以荧光发射强度的变化监测聚合物降解过程（ma c,guo q, mo j,等.monitoring and kinetic study ofalkaline hydrolysis ofpolylactic acid fibrous membrane via aggregation-induced emission (aie)technique[j/ol]. surfaces and interfaces,2023,42:103433. doi:10.1016/j.surfin.2023.103433），但荧光强度信号正比于探针分子数量，极易受激发光源功率漂移、样品厚度差异及光漂白效应等外部因素干扰，定量结果不可靠。也有报道采用荧光探针对聚合物老化位点进行后染标记（li y,tian r, wang p,等. fluorescence monitoringof the degradation evolution of aliphatic polyesters[j/ol].chemicalcommunications,2022,58(63):8818-8821.doi:10.1039/d2cc02150a.），通过激光扫描共聚焦显微镜进行二维和三维荧光成像，以老化面积、深度和体积等几何参量分析老化程度。然而，上述现有方法均以荧光强度或荧光成像几何参量作为检测依据，未能利用荧光寿命这一更为稳健的光物理参量。

4、荧光寿命是荧光分子激发态平均停留时间，由辐射跃迁、非辐射跃迁速率共同决定，非辐射跃迁速率对聚合物基体微观环境高度敏感；且荧光寿命数值不受激发光强度、样品厚度、光漂白干扰，信号稳定性远优于荧光强度。目前尚无荧光寿命定量关联聚乳酸分子量的专利及文献报道，无法实现无损、快速测定聚乳酸老化后的分子量。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于荧光探针的荧光寿命变化检测聚乳酸老化后分子量的方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有聚乳酸材料老化检测手段破坏性强、前处理繁琐、荧光强度法信号干扰大、定量精度不足的问题。

2、本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种基于荧光探针的荧光寿命变化检测聚乳酸老化后分子量的方法，包括以下步骤：

3、步骤一，将荧光探针与聚乳酸基材复合，得到均匀负载荧光探针的聚乳酸待测样品；

4、步骤二，对聚乳酸待测样品进行老化处理；

5、步骤三，采集老化后的聚乳酸待测样品中荧光探针的荧光衰减曲线，得到荧光寿命；

6、步骤四，老化后的聚乳酸待测样品的荧光寿命代入预先建立的荧光寿命与聚乳酸重均分子量的定量关联模型，计算得到老化后的聚乳酸待测样品的重均分子量。

7、下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

8、上述荧光探针为四苯乙烯基聚集诱导发光荧光探针，所述四苯乙烯基聚集诱导发光荧光探针包含四苯乙烯荧光母核和共价接枝于所述四苯乙烯荧光母核的低聚乳酸链段。

9、上述荧光探针与聚乳酸基材的质量比为0.25:99.75至1:99。

10、上述复合方式为物理掺杂、共价键合、核壳结构包埋其中的一种。

11、上述四苯乙烯基聚集诱导发光荧光探针与聚乳酸经熔融共混复合，熔融共混的温度为175℃至185℃。

12、上述老化处理为水解老化、热氧老化、紫外老化或自然环境老化中的一种。

13、上述老化处理为水解老化处理，水解老化在ph值为4至10的水溶液中进行。

14、上述步骤三中，采集老化后的聚乳酸待测样品中荧光探针的荧光衰减曲线，包括：

15、采用时间相关单光子计数法采集荧光衰减曲线，以脉冲激光作为激发光源，激发波长为320nm至340nm，荧光采集波长为450nm至470nm。

16、上述步骤三中，平均荧光寿命为强度加权平均荧光寿命，通过双指数函数拟合荧光衰减曲线得到，计算公式为：

17、

18、式中：

τ为强度加权平均荧光寿命（单位：ns）；a1、a2分别为短寿命、长寿命荧光组分的指前因子；

τ1、

τ2分别为短寿命、长寿命组分对应的荧光寿命。

19、上述步骤四，建立荧光寿命与聚乳酸重均分子量的定量关联模型，包括：

20、制备多组负载荧光探针的聚乳酸标准样品，分别进行不同时长的老化处理，得到多组老化处理后的聚乳酸标准样品；

21、测定各组老化处理后的聚乳酸标准样品的平均荧光寿命；

22、采用凝胶渗透色谱法测定各组老化处理后的聚乳酸标准样品的重均分子量；

23、以重均分子量的对数值为纵坐标、平均荧光寿命为横坐标进行线性拟合，建立荧光寿命与聚乳酸重均分子量的定量关联模型；

24、上述荧光寿命与聚乳酸重均分子量的定量关联模型的表达式为：

25、

26、其中，为重均分子量（单位：g/mol），

τ为荧光寿命值（单位：ns），

a和

b为与老化路径相关的常数。

27、上述四苯乙烯基聚集诱导发光荧光探针，按下述方法制备得到：

28、氨基四苯乙烯与l-丙交酯在催化剂的作用下，发生聚合反应，反应产物纯化干燥后得到四苯乙烯基聚集诱导发光荧光探针；

29、所述氨基四苯乙烯与l-丙交酯的摩尔比为1:1000；

30、所述催化剂为辛酸亚锡；

31、所述聚合反应在惰性气体保护下进行，反应温度为110℃至130℃，反应时间为10至15小时。

32、本发明利用四苯乙烯基聚集诱导发光荧光探针的荧光寿命对聚乳酸基体微观环境高度敏感的特性实现聚乳酸老化后分子量的检测；聚乳酸老化降解后荧光寿命随之缩短；且荧光寿命与聚乳酸重均分子量的对数值呈稳定线性关系，据此建立定量关联模型，即可通过无损检测荧光寿命快速、精准地判定聚乳酸材料的老化后的分子量；探针可预先复合于材料内部，无需破坏性取样，同一样品可连续跟踪老化全过程；适配薄膜、纤维、注塑件等多种制品形态及水解、热氧、紫外等多种老化模式，可灵敏区分不同批次产品的耐老化性能差异。