開(kāi)發(fā)具有長(zhǎng)壽命、高分辨率的雙光子激發(fā)的聚集誘導(dǎo)室溫磷光(TPE-AIP)材料對(duì)于生物成像至關(guān)重要。本文基于聚集誘導(dǎo)熒光 (AIE)和磷光(AIP)材料，深入研究了結(jié)構(gòu)-堆積和雙光子激發(fā)的聚集誘導(dǎo)磷光性質(zhì)的關(guān)系，解釋了聚集誘導(dǎo)磷光探針的發(fā)光機(jī)理?？偨Y(jié)了分子構(gòu)型對(duì)激發(fā)態(tài)電荷分布、單三重態(tài)能隙及激發(fā)態(tài)電子弛豫速率的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)了具有較大π-共軛分子骨架的化合物，它能夠在生物窗口內(nèi)具有較強(qiáng)的雙光子吸收能力，且同時(shí)保留了聚集誘導(dǎo)磷光的特性，是一種潛在的可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨光學(xué)成像的TPE-AIP材料。

光學(xué)成像已經(jīng)成為生物系統(tǒng)檢測(cè)的重要技術(shù)手段，尤其是對(duì)于生物化學(xué)研究和醫(yī)學(xué)治療具有極其寶貴的價(jià)值。熒光探針是光學(xué)成像的必要工具，其中，有機(jī)小分子熒光探針具有高靈敏度、易于修飾的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的有機(jī)小分子熒光探針在高濃度時(shí)通常會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅。自從2001年，唐本忠發(fā)現(xiàn)了聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）的現(xiàn)象，立刻引起了人們的廣泛關(guān)注。具有AIE特性的探針在單個(gè)分子狀態(tài)下是不發(fā)光的，但在聚集態(tài)時(shí)能夠發(fā)出強(qiáng)光，理論上講，AIE探針的應(yīng)用不會(huì)受到濃度的限制。但通常熒光探針容易受到生物組織自熒光的干擾，不利于信號(hào)捕捉，且其波長(zhǎng)較短組織滲透深度有限。然而，室溫磷光探針因其具有長(zhǎng)發(fā)光壽命、高信噪比和較大斯托克斯位移，能夠很好的彌補(bǔ)熒光探針的不足，且有望實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的光學(xué)成像。最近研究發(fā)現(xiàn)，含有芳香羰基基團(tuán)的一種新型材料能夠同時(shí)兼具聚集誘導(dǎo)發(fā)光和室溫磷光的特性，在生物成像領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。另外，雙光子激發(fā)(TPE)的光學(xué)成像技術(shù)是當(dāng)前最適合生物活體成像檢測(cè)的手段，它具有較深的組織穿透力能夠?qū)崿F(xiàn)高精度三維成像，并且對(duì)細(xì)胞組織光損傷較小。目前，雙光子成像在實(shí)際應(yīng)用中尚未得到普及，主要是因?yàn)榭捎糜陔p光子吸收的探針材料較少且效率較低。

團(tuán)隊(duì)以實(shí)驗(yàn)上已合成的聚集誘導(dǎo)室溫磷光材料TPM (phenyl-(2,3,4,5-tetraphenyl-1H-pyrrol-1-yl) methanone)和 TPM-CL ((4-chlorophenyl)-(2,3,4,5-tetraphenyl-1H-pyrrol-1-yl) methanone）為研究對(duì)象：

（1）?通過(guò)對(duì)比AIE材料，分析分子構(gòu)型尤其是芳香羰基基團(tuán)對(duì)分子激發(fā)態(tài)電荷分布的影響，以及通過(guò)多尺度模擬堆積效應(yīng)對(duì)激發(fā)態(tài)弛豫過(guò)程的作用，總結(jié)出實(shí)現(xiàn)聚集誘導(dǎo)室溫磷光幾何調(diào)控的關(guān)鍵；

（2）?基于理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)獲得了同時(shí)具有雙光子吸收能力和聚集誘導(dǎo)室溫磷光(TPE-AIP)性質(zhì)的新材料，為實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨光學(xué)成像提供了指導(dǎo)依據(jù)。

圖3.前線軌道電荷分布圖

理論計(jì)算結(jié)果表明，芳香羰基基團(tuán)能夠改變前線分子軌道電荷分布（圖2），從而引起光譜紅移和較大的斯托克斯位移（> 200 nm），但同時(shí)也導(dǎo)致躍遷偶極矩明顯減小，降低了雙光子吸收能力和發(fā)光效率。聚集誘導(dǎo)效應(yīng)不僅能夠抑制激發(fā)態(tài)幾何弛豫，降低無(wú)輻射效率，而且會(huì)影響激發(fā)態(tài)電子組態(tài)成分，調(diào)節(jié)單-三重態(tài)能隙差（δE_S1-T1），TPM在THF溶液和固相下的δE_S1-T1分別為0.03 eV和0.24 eV, 進(jìn)而調(diào)節(jié)系間竄越和反系間竄越速率，從而實(shí)現(xiàn)磷光發(fā)射。另外，為了提高材料的雙光子吸收能量和發(fā)光效率，我們?cè)O(shè)計(jì)了具有較大π共軛性質(zhì)的材料，并對(duì)其雙光子吸收性能和激發(fā)態(tài)性質(zhì)進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)2TPA-DPM-CL在生物窗口內(nèi)具有較強(qiáng)的雙光子吸收能力（36.40 GM/656 nm），且同時(shí)具有了聚集誘導(dǎo)磷光的特性。

綜上所述，本文深入探索了聚集誘導(dǎo)磷光的發(fā)光機(jī)理，研究表明聚集效應(yīng)不僅能夠抑制分子的振動(dòng)弛豫，減小無(wú)輻射弛豫速率；更重要的是能夠調(diào)節(jié)單-三重態(tài)能量差，有利于實(shí)現(xiàn)電子從單重激發(fā)態(tài)到三重激發(fā)態(tài)的躍遷，從而實(shí)現(xiàn)磷光發(fā)射。另外，研究發(fā)現(xiàn)芳香羰基基團(tuán)是實(shí)現(xiàn)室溫磷光的關(guān)鍵，它能夠改變前線分子軌道電荷分布，從而導(dǎo)致光譜紅移和較大的斯托克斯位移；并且該基團(tuán)中的氧原子能夠引起大的旋-軌耦合，有助于磷光發(fā)射。但是，較大的前線軌道電荷分離使得電子躍遷偶極矩明顯變小，不利于雙光子吸收和磷光發(fā)光。我們進(jìn)而設(shè)計(jì)獲得了具有較大π-共軛分子骨架的化合物，它能夠在生物窗口內(nèi)具有較強(qiáng)的雙光子吸收能力，且同時(shí)保留了聚集誘導(dǎo)磷光的特性，是一種潛在的可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨光學(xué)成像的TPE-AIP材料。