卟啉钯敏化剂构效性质与三线态-三线态湮灭上转换性能研究

上转换发光是一种将长波长的激发光转化为短波长发射的反斯托克斯发光现象,三线态-三线态湮灭上转换（TTA-UC）能够在较低密度能量下被激发,且上转换量子产率高,因此获得研究者们广泛关注。关于敏化剂分子结构与上转换发光性能相关性的研究一直是TTA-UC研究领域的重要热点,选择两种代表性的卟啉钯光敏剂[PdOEP-八乙基卟啉钯(Ⅱ)和PdBrTPP-四溴苯基卟啉钯(Ⅱ)]与蒽衍生物9,10-(4-羟甲基)苯基蒽p-DHMPA发光剂组合上转换体系作为研究模型,通过一系列合成工作获得材料分子后,进一步比较两种敏化剂的光谱性质与体系最终上转换性能之间关系。通过细致研究敏化剂和发光剂的荧光发射和寿命等光谱性质对敏化剂系间窜越,三线态-三线态能量转移及三线态-三线态湮灭等能量传递过程的影响后,发现在532 nm处的摩尔吸光系数PdBrTPP (10.8 cm-1·mmol-1)大于PdOEP (3.0 cm-1·mmol-1);三线态寿命PdBrTPP (173.13 μs)大于PdOEP (109.21 μs)。但与p-DHMPA配对时光敏剂与发光剂的三线态能级差ΔE_TT,PdOEP (0.140 eV)却高于PdBrTPP (0.062 eV),通过Stern-Volmer方程得到Stern-Volmer猝灭常数K_SV和双分子猝灭常数k_q值也是PdOEP略高,最终表现出上转换阈值PdOEP/p-DHMPA (22.40 mW·cm-2)小于PdBrTPP/p-DHMPA (29.78 mW·cm-2),上转换发光效率Φ_UC,PdOEP/p-DHMPA (28.3％)大于PdBrTPP/p-DHMPA (26.8％)。因此,卟啉钯敏化剂的构效对三重态湮灭上转换发光效率影响最为重要的决定因素是敏化剂三线态高低。对于不同的敏化剂,在分子主体结构、摩尔吸光系数与三线态寿命等光谱参数差别不大的情况下,敏化剂的三线态能级越高,就将会具有更大的上转换发光效率。然而如果以总上转换能力指标来评价,PdBrTPP的共轭结构能够提升其在激发波长处吸收更多光子的能力,具有比PdOEP更高的摩尔吸光系数,造成其总上转换能力η比PdOEP高3.4倍。因此从上转换总效能指标来评价,通过敏化剂分子设计调控其在激发光波长处的摩尔吸光系数也不失为一种简单易行的方法。     

9，10-二杂环取代蒽衍生物制备与三线态-三线态湮灭上转换性能研究

弱光上转换是基于三线态-三线态湮灭机制将低能量(长波长)的光转换为高能量(短波长)光的一种现象,是通过光敏剂与发光剂之间能量转移实现的。针对当前上转换体系中的光敏剂研究备受关注,而对于同等重要作用的发光剂的研究甚少的现状,利用Suzuki偶联反应制备了两个新的杂环取代蒽衍生物：9,10-二(3-呋喃)蒽(DFA)和9,10-二(3-噻吩)蒽(DTA)并通过结构表征;以9,10-二杂环取代蒽为发光剂、四苯基卟啉钯衍生物(PdTPPMe和PdTPPCOOH)为三线态光敏剂,研究所构成的光敏剂/发光剂双组分体系中,三线态-三线态能量转移效率(k_Q)、发光剂的延迟荧光寿命(τ_DF)及发光剂荧光量子产率(Φ_f)等因素对上转换效率(Φ_UC)的影响。结果表明,高效三线态-三线态能量效率(Φ_TTT)、快速延迟荧光寿命和大荧光量子产率将有利于提高上转换效率。进一步研究发现,含氧发光剂(DFA)与含羧基的光敏剂(PdTPPCOOH)之间可借助氢键发生有效耦合,有利于光敏剂与发光剂之间的三线态能量转移,导致弱光上转换效率显著提高。在半导体激光器(532 nm,70 mW·cm-2)激发下获得强的绿-转-蓝上转换效率最大可达10.11%。所获得的绿-转-蓝上转换荧光可使Pt/WO₃复合半导体受激;产生氧自由基并可促使香豆素转化为7-羟基香豆素。     

利用核壳结构实现纳米颗粒的多色上转换发光

将多色荧光标记技术应用于生物信息检测可实现快速、实时、同步大规模检测目标生物分子的目的,利用上转换纳米粒子作为多色荧光探针可有效地避免生物组织自荧光对检测信号的影响。本文制备了具有核-壳结构的稀土氟化物纳米粒子,并通过在核与壳不同位置共掺杂不同浓度的敏化离子和发光离子来改变发光离子各发射峰之间的相对强度。利用不同颜色和强度的发射光谱实现了纳米粒子的多色上转换发光。利用透射电子显微镜成像、X射线衍射分析、发光光谱等测量手段对多色上转换发光纳米粒子进行了形貌、结构和上转换发光性质的表征。实验结果表明,具有核-壳结构的纳米粒子尺寸小于30 nm,呈球形。在980 nm红外光激发下,纳米粒子呈现从红色到蓝紫色的颜色可变的上转换发光。     

蒽衍生物取代基团与三线态-三线态湮灭上转换性能关系研究

三线态-三线态湮灭(TTA)上转换是一种以低功率非相干光泵浦实现大的反斯托克位移的光谱转换技术,具有激发和发射波长可调的特点,在提高太阳能利用率方面具有重要应用价值.经过十几年的发展,敏化剂分子的研究取得了很大进步,而发光剂分子的研究相对落后.以敏化剂多吡啶钌(Ⅱ)配合物[Ru(bpy)2 Phen]2+和发光剂2-位...     

兼具三线态-三线态湮灭上转换与单光子吸收上转换特性的氮杂蒽衍生物发光性能研究

弱光上转换是将低能量光子转换为高能量光子的过程,在三维荧光显微成像、太阳能电池、光催化等领域具有广泛的潜在应用,因而成为有机荧光材料领域的热点课题。目前基于三线态-三线态湮灭机制有机弱光上转换材料（TTA-UC）的研究已较为深入,有关发光机理及应用研究均有较多报道;然而针对另一种有机弱光上转换机理——基于单光子热带吸收的弱光上转换（OPA-UC）的研究目前还较为少见。氮杂蒽衍生物由于具有良好的结构刚性和平面性,高的荧光量子产率,是研究TTA-UC和OPA-UC两种有机上转换发光的理想模型分子结构。通过研究比较三种氮杂蒽衍生物：酚藏花红（PSF）、藏红T（SFT）、亚甲基紫（MTV）各自TTA-UC和OPA-UC的发光性能差异,分析探讨了分子结构对OPA-UC发光性能及TTA-UC敏化效率的构效关系。实验发现酚藏花红和藏红T由于具有较高的荧光量子产率,同时辐射衰减常数较大,其主要衰减过程为辐射衰减;而亚甲基紫具有较高的分子内电荷转移能力(ICT),因而非辐射衰减部分更多。研究三种分子的TTA-UC性能,发现亚甲基紫的三线态能级过低无法进行三线态-三线态能量转移过程,而藏红T由于拥有更高的三线态寿命而具有更高的上转换发光效率(9.69%),是酚藏花红体系(3.16%)的3倍。进一步研究酚藏花红和亚甲基紫的OPA-UC性能差异,发现相同浓度条件(10-3 mol·L-1)下亚甲基紫(0.12%)的OPA-UC发光效率相较于酚藏花红(0.059%)更高,且随着浓度的升高,亚甲基紫的OPA-UC发光增强效应更大。进一步研究表明,在TTA-UC发光过程中,敏化剂的敏化效率主要受分子三线态寿命以及系间窜跃能力影响,寿命越长,系间窜跃能力越强,敏化效率越高;而在OPA-UC发光过程中,湮灭剂分子的发光学率主要受ICT影响,ICT能力越大,分子发光效率越高。使用氮杂蒽分子廉价易得,对未来高性能TTA-UC和OPA-UC发光分子的设计具有一定的实际意义。     

基于热活化延迟荧光双发射的有机电子给体-受体型材料研究进展

基于热活化延迟荧光的双发射有机材料,由于具有两种颜色的发光波长,且至少有一种发射的衰减寿命在微秒级以上,因此在白色有机发光二极管、多功能探针与传感、高质量生物成像、防伪等领域具有很大的应用前景。为了合理地设计基于热活化延迟荧光的双发射有机电子给体-受体型材料,最为关键的是研究分子结构与光物理性质之间的构效关系。本文将基于热活化延迟荧光的双发射有机电子给体-受体型分子,根据其发光属性分为三类:热活化延迟荧光-荧光双发射、热活化延迟荧光-磷光双发射和双热活化延迟荧光发射,进一步对其分子设计原则、发光机制和最新进展做出了简要综述,并展望了其发展前景。     

上转换发光量子点

光子上转换是一种重要的非线性反斯托克斯发光现象,在激光、显示、光伏、信息安全以及生物成像与诊疗等领域具有应用前景.与研究较多的有机分子三重态-三重态湮灭和稀土掺杂纳米颗粒上转换发光材料相比,上转换量子点可以在宽光谱激发范围内实现上转换发光,具有频谱吸收宽、发光效率高、近红外可吸收、能带可调、尺寸小以及稳定性高等特点,引...     

光敏化反应生成单线态氧的电子耦合计算及其分子轨道重叠描述

三重态融合反应又称三重态-三重态湮灭反应,近年来被广泛应用于光催化、太阳能电池和生物成像等前沿领域. 在光敏化生成单线态氧的反应中,三重态激发的光敏剂分子通过三重态融合反应将激发态能量传递给基态氧分子³O₂,生成单重态的激发氧分子即单线态氧. 本文以6-aza-2-thiothymine为光敏剂,通过量子化学计算得到该反应的非绝热耦合强度,然后通过分子间运动下的积分转换,得到反应的透热电子耦合强度. 最后使用光敏剂分子和O₂的前线分子轨道计算轨道重叠强度,对量子化学计算得到的电子耦合值进行拟合,验证三重态融合反应的分子轨道重叠描述. 结果表明,分子轨道重叠可以较好地描述不同间距下光敏剂-O₂三线态融合反应的电子耦合强度分布,为预测三重态融合反应电子耦合提供了一种简便而有效的新方法.     

一种金纳米球复合稀土Eu3+功能纳米材料的制备及光热监测应用

光热治疗基于光热药剂在激光照射下产生热量,进而高温杀死肿瘤细胞,因而实时监测光热过程中微观温度变化对于优化治疗效果具有十分重要的作用。稀土Eu~(3+)配合物的发光具有线谱、长荧光寿命以及对温度高度敏感的特点,利用Eu~(3+)配合物的温敏特性可检测光热过程中的温度变化,整合温度监测功能和光热特性的纳米体系在光热治疗领域具有很好的应用前景。本文制备了一种内部封装温度敏感探针Eu~(3+)配合物且表面复合金纳米球的功能纳米颗粒,将该功能纳米颗粒分散液置于不同的温度环境中,发现其荧光性能对温度具有高的响应灵敏度,即Eu~(3+)的特征发射峰(615 nm)强度随温度升高降低52.7%,表明该稀土荧光温度纳米传感器具有高的温度敏感性。在激光辐照下,功能纳米颗粒可以产生良好的光热现象,基于自身的温敏特性可实时对光热特性进行温度监控。     

9,10-二苯基蒽衍生物的制备及对铜离子上、下转换检测研究

Cu2+是人体正常代谢所必需的微量元素之一,但是过量的Cu2+会造成代谢紊乱,进而诱发各种疾病。长期以来,铜材料的过度使用和后处理不当导致生活环境中的Cu2+浓度超标,成为重金属污染物之一,因此生活环境中Cu2+含量的检测成为人们关注的热点。基于荧光探针的荧光光谱法由于选择性好、灵敏度高等优点被广泛应用于离子检测领域。利用荧光探针分子与待检测离子可发生选择性的弱相互作用,研究者们探索并设计了诸多可用于Cu2+检测的荧光探针。然而普通的荧光探针由于灵敏度较差或选择性不理想等问题缺乏实际应用价值。设计并合成了一种新的化学型荧光探针分子9,10-二(3’-羟基-4’-亚甲胺氨基硫脲苯基)蒽（b-HTPA）。该探针分子通过与Cu2+的络合作用,改变自身的电子排布结构,使得其荧光性能发生显著变化,由此对Cu2+产生灵敏的响应。通过上、下转换荧光光谱来研究b-HTPA对Cu2+检测的各项性能,并结合拟合计算得出最终结果。选择性研究结果表明,相比其他13种金属阳离子,Cu2+对b-HTPA荧光猝灭效果最为显著,空白探针分子荧光与加入Cu2+后的荧光强度比可达150∶1。灵敏性研究结果表明,b-HTPA对Cu2+的最低检测限为2.78×10-7 mol·L-1,远低于中国卫生部《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）,表现出良好的荧光响应灵敏性和理想的最低检测限。响应时间测试结果表明,b-HTPA与Cu2+在0~2 min时间范围内反应速率最大,并在约10 min后反应完全,说明b-HTPA在对Cu2+检测中可以短时间产生响应,降低实际应用中的检测时间和周期。还使用八乙基卟啉钯（PdOEP）作为光敏剂,以b-HTPA为湮灭剂,利用上转换荧光光谱对b-HTPA/PdOEP/Cu2+体系的灵敏性和检测限进行测试研究。结果表明,探针的上转换荧光强度随着Cu2+浓度的增加而降低,具有良好的响应性,通过拟合计算,得出b-HTPA对Cu2+的检测限为3.78×10-6 mol·L-1,低于《生活饮用水卫生标准》规定的检测下限。设计合成的新型荧光探针分子9,10-二(3-羟基-4-亚甲胺氨基硫脲苯基)蒽对Cu2+具有高选择性、高灵敏度和理想的检测限,且响应速度快,展现了上转换发光在检测领域具有应用潜力。     

Computational design of ratiometric two-photon fluorescent Zn2+ probes based on quinoline and di-2-picolylamine moieties

To improve two-photon absorption (TPA) response of a newly synthesized probe, a series of ratiometric two-photon fluorescent Zn²⁺ sensors based on quinoline and DPA moieties have been designed. The one-photon absorption, TPA, and emission properties of the experimental and designed probes before and after coordination with Zn²⁺ are investigated employing the density functional theory in combination with response functions. The design consists of two levels. In the first level of design, five probes are constructed through using several electron acceptors or donors to increase accepting or donating ability of the fluorophores. It shows that all the designed probes have stronger TPA intensities at longer wavelengths with respect to the experimental probe because of the increased intra-molecular charge transfer. Moreover, it is found that the probe 4 built by adding an acyl unit has the largest TPA cross section among the designed structures due to the form of longer conjugated length and more linear backbone. One dimethylamino terminal attached along the skeleton can improve TPA intensity more efficiently than two side amino groups. Therefore, in the second level of design, a new probe 7 is formed by both an acyl unit and a dimethylamino terminal. It exhibits that the TPA cross sections of probe 7 and its zinc complex increase dramatically. Furthermore, the fluorescence quantum yields of the designed probes 4 and 7 are calculated in a new way, which makes use of the relation between the computed difference of dipole moment and the measured fluorescence quantum yield. The result shows that our design also improves the fluorescence quantum yield considerably. All in all, the designed probes 4 and 7 not only possess enhanced TPA intensities but also have large differences of emission wavelength upon Zn²⁺ coordination and strong fluorescence intensity, which demonstrates that they are potential ratiometric two-photon fluorescent probes.     

A Ratiometric and near-Infrared Fluorescent Probe for Imaging Cu<Superscript>2+</Superscript> in Living Cells and Animals

We have rationally constructed a novel ratiometric and near-infrared Cu²⁺ fluorescent probe based on a tricarbocyanine chromophore. The new probe NIR-Cu showed a ratiometric fluorescent response to Cu²⁺ with a large emission wavelength shift (up to 142 nm) in the far-red to near-infrared region. The probe also displayed a large variation in the fluorescence ratio (I₆₃₆/I₇₇₈) to Cu²⁺ species with high sensitivity and selectivity. Additionally, the developed probe NIR-Cu was suitable for fluorescence imaging of Cu²⁺ in living cells and mice.     

Metal Nanoclusters–Based Ratiometric Fluorescent Probes from Design to Sensing Applications

Ratiometric fluorescent probes have many advantages including improved sensitivity, high reliability and accuracy, visualization sensing, etc. Herein, the development of metal nanoclusters (NCs)‐based ratiometric fluorescent probes in the recent years is summarized. NCs, an emerging new class of fluorescent nanomaterials, have demonstrated excellent optical properties, good biocompatibility, great aqueous solubility, low cost, and simple synthesis, and NCs‐based ratiometric fluorescent probes have attracted much attention. In this progress report, the preparation and properties of NCs and the design of ratiometric fluorescent probes are summarized. Sensing of a broad range of analytes including cations, gas, small molecules, macromolecules, temperature, and pH is discussed. In addition, the challenges and future directions for NCs‐based ratiometric fluorescent probes are also presented.     

硫杂杯[4]芳烃基胶束自组装荧光探针的结构性质及检测性能的研究

水体中重金属污染因威胁生态环境和人类健康而被受广泛关注。荧光探针由于具有快速高效检测重金属的特性,一直是该领域的研究热点。通常,荧光探针在结构上包括对待测物质起识别作用的受体和能产生信号响应的荧光体,并逐步形成了内在型、共轭型、系综型和模板辅助自组装型等四种结构类型。近年来,基于受体和荧光体在表面活性剂胶束内自组装而形成的胶束自组装型荧光探针因结构简单、易于制备、能直接应用于水环境等特点逐渐受到重视。以对铜离子具有优异结合性能的对叔丁基硫杂杯[4]芳烃（TCA）为受体,以芘、荧蒽、蒽、菲、苝等分子为荧光体,通过表面活性剂胶束自组装制备针对Cu2+检测的胶束自组装型荧光探针,采用参比法测定了胶束自组装荧光探针的荧光量子产率,采用稳态荧光法测定了胶束聚集数,同时通过计算荧光猝灭率分别考察了荧光体种类、复配表面活性剂等因素对该探针的Cu2+检测性能的影响情况。实验结果显示,采用十二烷基硫酸钠（SDS）、曲拉通100（TX-100）、聚氧乙烯月桂醚（Brij35）等三种不同的表面活性剂对探针荧光体的荧光量子产率产生了明显影响,测得的荧光探针荧光量子产率介于0.25~0.47,且三者逐渐增大,说明表面活性剂改变了胶束内荧光分子芘所处微环境的极性,且不同类型表面活性剂对微环境极性的影响程度有所差异,微环境极性的增强对极性更大的激发态芘具有更强的稳定作用。而受体TCA的加入对荧光体所处微环境极性影响较小,未对荧光量子产率产生较大影响。但TCA的加入使探针的胶束聚集数明显减少,这归因于具有两亲性的受体TCA分子通过胶束自组装进入并分散在表面活性剂分子层中,形成共胶束结构,从而改变了表面活性剂分子的聚集状态。荧光体变更对荧光探针的Cu2+检测性能有显著影响,在同样条件下,以荧蒽、蒽、菲作为荧光体的探针检测Cu2+所得到的荧光猝灭率远高于芘、苝,这主要是因为不同荧光体在从激发态返回基态时辐射跃迁所释放能量不同,其能量与受体TCA识别Cu2+所需能量之间的匹配度越高,荧光猝灭率越大。不同类型的表面活性剂之间的复配能明显提升荧光探针检测性能,当非离子/阴离子、非离子/阳离子型复配表面活性剂之间的复配比例分别为7∶3和1∶1时荧光猝灭率达到最大值,且均高于单一表面活性剂时的荧光猝灭率。这说明不同类型表面活性剂复配的最佳比例存在较大差异,但均有效地增强了受体与荧光体的分散性及自组装性能,提高了对Cu2+的检测性能。研究结果将为新型胶束自组装荧光探针的设计和应用提供数据参考。     

碳量子点/曙红Y比率型荧光探针测定L-抗坏血酸

以天然生物质去皮的蓖麻为碳源,采用一步水热法合成了荧光性能优良的绿色荧光蓖麻碳量子点(CO-CQDs),对其形貌和发光性能进行了表征。通过将该CO-CQDs与荧光极强的卤代荧光素染料曙红Y(EY)复合,二者可形成荧光发射峰相距较远的新型CO-CQDs/EY复合物。在pH=4.00的Na2HPO4-柠檬酸缓冲溶液中,在320 nm的激发波长下,CO-CQDs/EY复合物于405 nm和540 nm处显示出两个独立的荧光发射峰。在该体系中加入Cr(Ⅵ),405 nm和540 nm两处的荧光信号均显著猝灭。L-抗坏血酸(L-ascorbic acid,AA)的加入可使复合物于540 nm的荧光信号恢复,而405 nm处的荧光强度基本不变。据此建立了一种以CO-CQDs/EY复合物为比率型荧光探针测定AA的新方法。实验测定了荧光信号恢复的最佳条件和影响荧光恢复的因素,初步探讨了反应机理。在优化的实验条件下,该探针于540 nm/405 nm两处的荧光强度比值与AA的浓度在5.0×10^-8~4.0×10^-6 mol/L范围内呈良好线性关系,检出限为3.7×10^-8 mol/L。该探针用于检测药物、水果和蔬菜中AA的含量,结果满意。     

Enhanced Ratiometric pH Sensing Using SNAFL-2 on Silver Island Films: Metal-enhanced Fluorescence Sensing

We have explored the opportunities for enhanced ratiometric pH sensing using the well-known carboxy seminaphthofluorescein (SNAFL-2) and silver island films (SiFs). Our results show that the metallic surfaces can provide up to a 40-fold increase in probe fluorescence intensity as compared to nonmetallic surfaces with the same probe coverage. However, while the S/N is significantly better for pH sensing, the emission wavelength ratiometric values are similar to that obtained in solution, due to the fact that the emission of both the acidic and basic forms of the probe are enhanced to similar extents. To the best of our knowledge this is the first report of enhanced ratiometric fluorescence sensing on metallic surfaces.     

基于荧光分析的氨基甲酸酯类农药残留检测系统

通过对氨基甲酸酯类农药在紫外光照射下能够产生荧光的机理研究,设计了一种用于检测氨基甲酸酯类农药残留的荧光系统。该系统采用单光源、双光路结构,能够对测量信号和参考信号同时进行处理。采用所设计的筒式光纤探头激发并探测荧光,设计了相应的信号处理电路,实现了计算机管理。利用该系统和稳态光谱仪对西维因进行了对比实验。结果表明:在激发波长为319nm、荧光波长为654nm时,最小检测浓度为5×10-7μg/L。当西维因浓度范围在0.0～120.0μg/L之间时,系统具有较好的线性关系,线性相关系数r=0.9996(信噪比S/N=5)。该系统达到了荧光检测的指标。