聚集诱导发光材料与纳米晶复合体系动力学新进展

正近期,中科院大连化物所吴凯丰研究员团队将聚集诱导发光分子(AIEgen)嫁接到纳米晶表面,并研究了这一复合体系的激发态动力学,发现这一复合体系中AIEgen的非辐射分子内运动可以得到有效抑制,这一普适性现象可用于构建各类多功能发光材料。相关工作发表于《物理化学快报》(Journal of Physical Chemistry Letters)上。传统的染料分子由于芳香环的π-π堆积通常表现出聚集诱导猝灭现象(ACQ),阻碍了这些染料     

有机染料聚集在光化学传感中的应用

有机染料在可见-近红外光区具有较高的摩尔消光系数和良好的荧光发光性能,因而常被用于光谱化学传感中。通常有机染料分子含有较大的π体系,在溶液中易于通过分子间弱相互作用(氢键、卤键、亲疏水作用、π-π堆积作用、范德华力等)聚集形成具有特定结构的组装体,聚集过程往往伴有明显的颜色或光谱变化。若向染料分子中引入特定的官能团,与分析物结合诱导染料聚集/解聚产生明显的光谱变化,可用于对分析物的识别。聚集体可同时提供多个结合位点,并具有组装单元之间可调控的空间取向、较高的传感结合基团局部浓度。因此基于聚集过程的光化学传感表现出优越的传感灵敏度和选择性。本文结合本课题组近年来的研究工作综述了有机染料聚集在光化学传感中的应用,分别从诱导聚集、诱导解聚以及聚集重组三个方面展开讨论,并展望了此类荧光传感体系未来的研究与发展方向。     

TPE核的螺旋手性

正2001年,唐本忠等基于多苯环取代的噻咯衍生物在良溶剂中不发光或发光微弱,而在聚集状态下荧光大大增强的现象,率先提出了"聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)"的概念~1,经过大量实验验证和理论模拟,他们提出了分子内运动受限是导致化合物产生AIE现象的主     

共晶诱导增强的电化学发光9,10-二苯基蒽-苝微晶构建高效尿酸传感器

采用表面活性剂辅助自组装方法, 制得非共平面分子9,10-二苯基蒽(DPA)与平面型分子苝(Pe)形成的具有共晶诱导增强效应的电化学发光(ECL)新材料. DPA的引入不仅可以有效降低Pe分子因π-π作用聚集 引起的聚集诱导猝灭(ACQ)效应, 导致Pe分子的ECL发射从二聚体或多聚体激发态(¹Pe^2*)转变为单体激 发态(¹Pe^*); 还发挥了供体分子的作用, 为受体分子Pe提供了有效的能量传递, 进一步增强了ECL响应. 将该共晶发光材料修饰到玻碳电极表面构建了新型ECL尿酸传感器, 其对尿酸检测的线性范围为0.01 μmol/L~ 5.0 mmol/L, 检出限为4.0 nmol/L, 具有良好的选择性和稳定性.     

基于2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑的激发态分子内质子转移化合物的光物理行为研究

运用量子化学理论计算方法结合现代光谱技术对激发态分子内质子转移(Excited state intramolecular proton transfer,ESIPT)化合物DHBIA{N,N'-di[3-hydroxy-4-(2'-benzothiazole)phenyl]5-tert-butyl-isophthalic amide}的激发态光物理行为进行了深入研究.研究表明:该化合物的醇式激发态很容易发生分子内C—N单键的快速扭转,使分子构型发生大幅扭曲,并显现出明显的扭曲的分子内电荷转移(Twisted intramolecular charge transfer,TICT)特征,激发态的这种构型弛豫导致的非辐射失活与质子转移过程相竞争,导致了激发态质子转移效率的降低以及相应酮式结构发光物种的大幅减少,从而致使化合物稀溶液的发光极为微弱.这种TICT特征也正是导致该化合物具有聚集发光增强性质的重要原因之一.     

聚集诱导发光机理研究

与传统荧光生色团聚集后导致荧光猝灭相反,有一类化合物在单分子状态下荧光微弱甚至观察不到荧光,而在聚集状态下荧光显著增强,这就是聚集诱导发光(AIE)现象。AIE现象独特的优越性使得众多研究组开发出越来越多的新AIE体系,其机理也被广泛而深入地研究。本文总结了目前为止已经提出的AIE机理,包括分子内旋转受限、分子内共平面、抑制光物理过程或光化学反应、非紧密堆积、形成J-聚集体以及形成特殊激基缔合物等;着重评述了目前研究最为全面、适用范围最广的分子内旋转受限机理。同时介绍了一些基于这些机理设计的新AIE体系。     

(E)-(5-(4-(二苯基胺)苯乙烯基)二噻吩并[2,3-b∶3′,2′-d]噻吩基)-2-亚甲基丙二腈的聚集态发光现象的研究

本文报道了对一种电子给体-受体化合物(E)-(5-(4-(二苯基胺)苯乙烯基)二噻吩并[2,3-b∶3′,2′-d]噻吩基)-2-亚甲基丙二腈(TPA-DCST)的合成与光谱学行为的研究。化合物TPA-DCST的分子结构中含有强电子给体(三苯胺)与强电子受体(二氰基乙烯)两个部分,并由二噻吩并[2,3-b∶3′,2′-d]噻吩作为共轭桥将电子给体与受体相连接。在合成方面,采用Wittig反应将三苯胺通过双键与二噻吩并[2,3-b∶3′,2′-d]噻吩相连接、醛基化,并与并二腈经Knoevenagel缩合反应合成目标产物。产物通过了核磁氢谱、碳谱、红外以及高分辨率质谱的确认。光谱方面,主要考察了该化合物的吸收与荧光行为。其最大吸收峰位在412nm左右,归属于π-π*跃迁。在非极性溶剂正己烷中表现出来自分子间聚集而形成的聚集态荧光(550nm),并通过了单分子在CTAB胶束([c]=1.02×10-2 mol/L)的发光(460nm)试验得到验证。溶剂效应表明,该化合物没有出现典型的ICT态的发光现象,其原因在于电子给体与受体相连的共轭桥单元,即二噻吩并[2,3-b∶3′,2′-d]噻吩不具有有效的共轭效应。浓度效应与温度效应进一步表明TPA-DCST分子易于产生分子间聚集态的发光。在THF-H_2O二元溶剂体系中呈现典型的聚集诱导(AIE)发光现象,发光峰位为692nm。随着TPA-DCST分子间的聚集程度的增加,聚集态的荧光出现大范围的红移,直至固体发光红移到710nm。TPA-DCST分子的聚集因素可能来自于疏脂作用、偶极-偶极相互作用等。     

聚集诱导发光基团修饰的功能化树枝形聚合物及其光物理性质研究

构筑和发展新型光功能树枝形聚合物是当前研究热点之一. 聚集诱导发光(Aggregation Induced Emission. AIE)类化合物以其高固态发光量子产率和广阔的应用前景引起研究者的极大关注, 分子内旋转受限降低了非辐射失活被认为是AIE高固态发光量子产率的主要原因. 在树枝形聚合物的外围修饰聚集诱导发光基团, 改善树枝形聚合物的发光性能, 通过外界环境改变树枝形聚合物分子构象, 实现对功能化树枝形聚合物体系发光的调控, 对扩展光功能树枝形聚合物在发光材料以及光捕获体系中的应用有重要意义.     

聚集诱导发光体系:化合物种类、发光机制及其应用

聚集诱导发光(AIE)体系是近年来备受关注的一个研究领域,目前该领域已经积累了较为丰富的AIE化合物的分子设计理念和相应的对AIE机制的理解。AIE体系的研究为固态强发光材料特别是备受聚集发光猝灭难题困扰的有机电致发光材料提供了全新的分子设计思路。本文纵观该领域的研究进展,对AIE化合物种类、发光机制及其相关应用做出了较为详尽的综述报道。具有AIE性质的化合物主要包括多芳基取代的杂环化合物、多芳基乙烯类化合物、分子内电荷转移化合物、含有氢键的化合物、聚合物等。这些化合物的AIE发光机制也各有不同,包括分子内旋转受限、非辐射失活衰减受限、分子构象扭曲以避免形成激基缔合物以及利用特殊的分子堆积方式如J-聚集、交叉分子堆积、由分子间的C—H…π作用或特殊的氢键作用形成相应的发光聚集体等。基于其特殊的AIE性能,AIE化合物可广泛应用于化学传感、生物传感、生物标记、电致发光以及逻辑门器件等领域。     

多芳基吡咯衍生物的发光性质及其应用

荧光分子在良溶剂中基本不发光或发光较弱,而在聚集状态下发光较强的现象,称为聚集诱导发光(Aggregation-induced emission,AIE)现象,这与传统的聚集导致猝灭(Aggregation-caused quenching,ACQ)现象相反。本文研究了多苯基吡咯衍生物的结构与发光性能的关系。通过比较吡咯衍生物的单晶结构和发光性质发现扭曲的结构可以限制共轭发光基团的分子内旋转(RIR),这是产生AIE现象的主要原因。羧酸化的吡咯衍生物可以对Al³⁺实时、选择性检测。由DMF诱导的三苯基吡咯羧酸衍生物(TPPA)重结晶在固态时出现可控的荧光发射,它具备很好的温度选择性,响应迅速,并可以循环利用,这证明TPPA可以作为一种热响应材料用于温度监控设备中。     

具有聚集态荧光增强性质的新型Tr?ger’s Base衍生物的合成与表征

Tr?ger’s bases(TB)具有特殊的刚性、立体Λ-型扭转构型,理论上,在分子堆积时其空间位阻作用不利于形成易引起"固态荧光淬灭"π-π密堆积,可以有效改善有机发光材料中常见的由π-π密堆积引起的固态荧光淬灭现象.选择Λ-型TB骨架作为分子的基本框架,首先以溴代Λ-型TB为原料合成了醛基取代的TB,再通过醛基-TB与取代苯乙腈类化合物经过简单的Knoevenagel缩合反应首次高效地合成了4个具有聚集态荧光增强特性的TB-氰基取代苯乙烯衍生物1a、2a、3a和4a,我们又通过钯催化的Heck偶联反应成功地将2-乙烯基噻吩引入到Λ-型TB中,合成了结构对称的D-π-C-π-D型TB衍生物5a,这些化合物均具有较大的Stokes位移.所有产物均通过1H NMR,13C NMR和HRMS等进行表征,并详细地对这些化合物的光电物理性质等进行了深入的研究,并重点探索验证了这些化合物的聚集诱导发光现象,它们在掺水聚集过程中均表现出明显的聚集荧光增强的性质,表明我们所合成的这些化合物均具有良好的聚集诱导发光性能(AIE).通过测试化合物1a、2a和5a在不同溶剂中的紫外吸收光谱和荧光光谱,表明化合物2a具有一定的溶剂效应,且这3个化合物的荧光发射峰位置都随着溶剂极性不同而发生变化,说明这些化合物存在着一定的ICT跃迁效应.通过对这些化合物的初步探究,希望这类新型固态发光TB衍生物能够在电致发光材料等领域具有潜在的应用价值.     

3,6-二(蒽醌-2-乙烯基)-N-乙基咔唑的合成及光谱性质研究

利用N-乙基咔唑和2-甲基蒽醌合成了一种A-π-D-π-A分子内电荷转移型化合物3,6-二(蒽醌-2-乙烯基)-N-乙基咔唑,并对该化合物的光化学和光物理行为进行了研究。荧光光谱表明,该化合物的发光行为对溶剂的极性非常敏感,随着溶剂极性的增大,其荧光最大发射峰有明显红移,并在强极性溶剂乙腈中出现了双荧光现象。该化合物的激发态和基态的偶极矩差值△μ为3.014D,发生了从给体(咔唑基)的N原子到分子两端受体(蒽醌)的羰基的分子内电荷转移。     

超分子组装体系中基于三重态-三重态湮灭的上转换发光

超分子组装实质上是对分子的精密组织和调控,结合三重态-三重态湮灭上转换发光,能够调控分子激发态能量的转移,提高上转换效率。本文综述了超分子组装体系中上转换发光的研究进展,包括基于有机凝胶、亲疏溶剂组装的超分子膜、纳米颗粒、聚合物薄膜以及主-客体配位超分子等体系。这些超分子体系为上转换发光提供了良好的基质,取代了传统三重态-三重态湮灭上转换发光的溶液体系,既解决了由于染料溶解性导致的聚集荧光猝灭,又有效地阻隔了氧气,同时,将上转换发光体系固体化而便于集成到器件等各个应用领域。值得注意的是,不同的超分子组装体系中的上转换发光,有着温度响应,可逆开/关效应,甚至是将光能转化为机械能的特性。     

聚集诱导发光现象的理论研究

本文系统介绍了本课题组发展的分子辐射跃迁和无辐射跃迁速率常数的热振动关联函数理论方法的最新进展及其在聚集诱导发光领域的典型应用. 基于第一性原理计算, 定量考察了位阻、温度、聚集等因素对分子体系发光性质的影响. 从微观角度给出了分子聚集诱导发光机理： 分子激发态的无辐射能量衰减通道主要是对应于低频模式的芳香环扭转和高频模式的碳碳伸缩振动. 当位阻增加、温度降低或者分子聚集时, 芳香环的转动受限, 无辐射能量衰减通道被抑制, 导致无辐射跃迁速率常数降低, 而其对辐射跃迁速率常数影响不大, 从而提高分子的荧光量子产率, 荧光增强.     

碱性磷酸酶荧光探针的研究进展

碱性磷酸酶(ALP)是一种广泛存在于各种哺乳动物组织中的重要酶,作为生物标记物和诊断指标为分子生物学的研究应用及人类疾病治疗提供了重要信息.由于其在人类身体健康方面的信息可靠性,近年来在荧光检测技术的研究日趋激烈,已发展成为一类重要的检测方法.根据不同的发光特点从(1)基于激发态分子内质子转移(ESIPT)和分子内电荷转移型(ICT)的传感体系、(2)基于聚集诱导发光的传感体系(AIE)、(3)基于降低给电子能力(D d-E)或扰乱共轭π电子的传感体系(D π-C)和(4)基于荧光内滤效应(IFE)的传感体系几个方面综述了近年来ALP的荧光检测、活性评价及生物成像方面的研究进展,并对其发展趋势做了展望.     

某些结构受阻氧鎓盐的吸收和荧光

氧锅盐是一类带正电行的杂环化合物，作为一种合成中间体，氧锅盐在有机合成方面已得到广泛的应用［’］近年来人们对其发光和光谱性质的研究也给予足够的注意．这是由于很多氧锅盐化合物有着很强的荧光发射【’J，并且其中有些已被用作激光染料出或Q一开关材料卜1由于氧钠盐强烈的亲电特性，因而它在聚乙烯咋哇电照相体系中也受到特殊的注意，即通过它来捕获电子和诱导分子内正空穴向负电极方向迁移问染料分子的刚性化对激发分子的弛豫过程往往会带来巨大的影响，如非刚性化分子会通过分子内自由旋转使分子在激发态的弛豫过程中形成不同的…     

以咔唑为π-桥的D-π-A型有机染料分子的合成与性能

本文分别以三苯胺、N-苯基咔唑和吲哚[3,2,1-jk]咔唑为给体,选择3,6-和2,7-位连接的咔唑为π-桥与氰基乙酸受体键连合成了两个系列共6个D-π-A型染料分子,研究了以它们为光敏剂的染料敏化太阳能电池器件的光伏性能.通过对比发现,给体单元相同的染料分子,以2,7-位连接的咔唑为π-桥时其共轭骨架的π-电子离域比3,6-位连接更好,因而其分子内电荷转移吸收明显变宽并增强,表现出更好的分子捕光能力,相应电池器件的短路电流密度(J_(sc))更大,展示了更高的光电转换效率;当π-桥相同时,给体单元由三苯胺依次变换为N-苯基咔唑和吲哚[3,2,1-jk]咔唑后,伴随苯环之间的直接键连其分子共平面性增强,氮原子上孤对电子参与共轭的程度增大,这虽有利于给体单元共轭骨架的π-电子离域,但会导致氮原子孤对电子参与的分子内推拉电子效应减弱,影响体系对太阳光的吸收利用,同时刚性共平面骨架加剧了分子间π-π堆积,引起染料聚集而加速载流子复合,从而影响其电池器件的开路电压(V_(oc))和J_(sc),不利于光伏性能的提升.     

溶剂极性对D-A-D型延迟荧光分子电荷转移激发态的调控

■二唑基四极分子(2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl-1,3,4-oxadiazole,2PXZ-OXD)具有典型的电子给体(donor)-受体(acceptor)-给体(donor)(D-A-D)的结构特点,表现出优良的延迟荧光特性.我们利用稳态、瞬态光谱方法研究了该分子在不同极性溶剂中的光物理特性,发现随着溶剂极性的增加,Stokes位移明显增加,证明了光激发下2PXZ-OXD分子产生了强偶极性的电荷转移态.进一步的量化计算结果发现,单重激发态的偶极矩显著大于三重激发态的偶极矩,溶剂极性对单重激发态的影响更大.溶剂极性的增加,打破了四极分子的对称性,促进了单重态能级的下降,从而调控单-三重态间能级差,导致延迟荧光特性的改变.溶剂极性在对单重态与三重态的能级差调控的同时,也会对2PXZ-OXD分子的发射振子强度有影响,强极性造成的显著非辐射弛豫过程会明显降低发光性能.     

基于L/D-赖氨酸盐酸盐和光活化AIE分子共组装实现圆偏振发光及动态调控

近年来, 基于分子组装产生圆偏振发光(CPL)的有机手性材料得到了迅猛的发展. 然而, 目前有机材料体系的CPL信号整体仍然较弱, 且缺乏精准的调控手段. 为此, 本工作以具有光活性的聚集诱导荧光增强(AIE)性质的多硫苯基化合物(M-1)为荧光染料, 以手性氨基酸L/D-赖氨酸盐酸盐(L/D-Lys)为手性模板, 通过分子间氢键作用, 在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/H₂O的混合溶剂中形成超分子L/D-Lys@M-1共组装体. 共组装体在不良溶剂水的溶剂作用下诱导产生CPL, 且在紫外光激发下具有自聚集效应, 产生持续增强的荧光发射和圆二色(CD)信号. 通过荧光光谱、紫外吸收光谱和动态光散射(DLS)对组装体在光激发下的结构和光物理性质进行表征, 利用CD光谱以及CPL光谱等对基态和激发态手性性质进行研究. 结果表明, 在溶剂诱导和光激发下实现了L/D-Lys@M-1组装体的手性传递和放大, 且不对称因子(|g_lum|)达到了0.3×10^-2. 该研究策略为非手性的荧光分子构建CPL体系及动态调控提供了策略.     

聚集诱导发光

聚集诱导发光(AIE)是唐本忠院士于2001年提出的一个科学概念,是指一类在溶液中不发光或者发光微弱的分子聚集后发光显著增强的现象。高效固态发光的AIE材料有望从根本上解决有机发光材料面临的聚集导致发光猝灭难题,具有重大的实际应用价值。从分子内旋转受限到分子内运动受限,从聚集诱导发光到聚集体科学,AIE领域已经取得了许多原创性的成果。在本综述中,我们从AIE材料的分类、机理、概念衍生、性能、应用和挑战等方面讨论了AIE领域最近取得的显著进展。希望本综述能激发更多关于分子聚集体的研究,并推动材料、化学和生物医学等学科的进一步交叉融合和更大发展。