1 引言
近年来,有机发光材料已经广泛应用于生物检测、传感和光电器件等各个领域[1⇓~3]。然而,在大多数发光材料分子间会产生强的π-π堆积,因此它们往往面临聚集导致发光猝灭(ACQ)效应[4]。一般来说,在具有刚性骨架的传统有机发光材料中普遍存在ACQ效应。自1954年Föster发现上述现象以来,该问题已经困扰了科学家60多年。以经典芘分子为例,该分子在四氢呋喃溶液中发出明亮的蓝光。然而,当加入大量的水时,芘分子会形成具有强π-π相互作用的激基复合物,从而导致发光猝灭,这对于实际应用极其不利。为了克服发光分子ACQ的难题,科学家们采取了一系列物理和化学策略来抑制发光分子的聚集,但是这些方法都违背了分子在浓缩时自发聚集的属性,因此事倍功半。
2001年,香港科技大学唐本忠课题组[5]偶然发现了多苯基取代硅杂环戊二烯(噻咯,Silole)衍生物聚集时发光增强的现象。与具有平面结构的芘明显不同,这些分子具有非常扭曲的螺旋桨构型。在溶液中,外围的苯环可以围绕中心的噻咯环发生转动,因此激发态的能量以非辐射跃迁的形式进行耗散,使得分子不发光。聚集时,借助分子间和疏水相互作用实现了对分子内旋转的限制,从而产生了强发射。由于上述发光现象是聚集所诱导的,所以唐本忠教授首次提出了“聚集诱导发光”(AIE)的科学概念。其后,唐本忠课题组[6]又在大量实验和理论的基础上,提出了分子内运动受限(RIM)的AIE工作机制。由此,ACQ这一难题得到根本性的解决。迄今,根据AIE的工作机制,研究人员已经报道了众多AIE分子体系。另外,他们现在已经可以根据问题导向和应用需求,通过简单的设计得到具有特定性能的AIE材料,这些材料已经广泛应用于有机发光二极管(OLED)、生物成像、刺激响应、传感器和光波导等领域[7]。
由于AIE在理论和实际应用的重要性,自AIE概念提出后就受到了世界范围内不同领域的科学家们的关注。据Web of Science统计得到的数据,自2001年起,基于AIE的研究无论是发表的研究论文还是论文被引用次数均呈指数增长,足见其研究活力和影响力。因此,AIE已经成为发光材料和光物理等领域的一个研究热点,并被中国科学院文献情报中心和汤森路透联合发布的《2015研究前沿》报告列为化学领域的十大研究前沿的第二位,并且为重点热点前沿。鉴于AIE研究在材料设计、机理探究和应用开发等方面取得的原创性和引领性成果,唐本忠院士团队获得了2017年国家自然科学奖一等奖。此外,AIE也被国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)遴选为2020年度化学领域十大新兴技术之一。鉴于上述的卓越成果,唐本忠院士组织活跃在AIE领域的中国学者共同撰写了本综述,旨在系统地向读者介绍AIE相关的材料体系的机理、衍生领域以及其性能和应用,深入浅出地介绍该领域的研究进展,以期共同推动AIE相关领域的进一步发展。
2 聚集诱导发光材料
经过20年的发展,AIE材料已经得到了极大的发展,AIE材料种类呈现持续增长。从纯碳氢化合物到含杂原子化合物,从小分子到大分子,从有机到无机或金属有机化合物,从单组分到有机共晶,AIE分子(AIEgens)的家族不断壮大。本节旨在展示几类AIEgens体系,仔细探究各种新的AIEgens将有助于揭示AIE过程,并有望激发更多AIEgens的合成。
2.1 AIE小分子
小分子体系依然为AIE领域研究的主要对象,其结构明确,化学、电学和光物理等性质相对简单,为结构与性质关系的分析以及机理的探究提供了有力的支撑。例如,四苯基乙烯(tetraphenylethylene, TPE)是一个典型的烃类AIEgen,往往被作为骨架用于构筑AIE化合物,进而应用于各种领域[8]。纯烃类AIEgens结构简单,易于合成,可以作为AIE机理研究的优秀载体。然而,纯烃系统的类别有限,将杂原子纳入AIEgens必将丰富AIE体系的种类,扩大AIE研究的范围。由于杂原子种类繁多,产生的杂原子AIEgens具有很好的结构多样性。因此本节将分别挑选两个纯烃类(9,10-二苯乙烯基蒽和四苯基苯)和杂环化合物(四苯基吡嗪和多芳基吡咯)进行详述。
2.1.1 9,10-二苯乙烯基蒽
9,10-二苯乙烯基蒽(DSA)及其衍生物是一类典型的AIE分子,因其具有高的聚集态荧光量子效率、易调控的分子结构以及优异的光学特性等优点,受到了研究者们的青睐。1991年,Fabian等[9]报道了DSA衍生物的合成及分子在溶液中的光物理性质。随后,Prasad等[10]的研究表明,氨基苯乙烯基取代的DSA衍生物1的纳米聚集体具有荧光增强的现象。2009年,Tian等[11]合成了一系列DSA衍生物,并率先开展了DSA衍生物在AIE领域的研究。他们发现,DSA类化合物的稀溶液几乎不发光,其荧光量子效率小于0.8%,而晶体表现出强的荧光发射,发光效率(ФF)高达18.7%~50.8%。研究表明,DSA类衍生物具有高度扭曲的分子构象,在溶液中,分子内蒽环与相邻乙烯基之间振转运动导致其辐射跃迁速率大幅降低,表现为弱的荧光发射;而在聚集态,分子紧密的堆积以及分子间弱相互作用限制了分子内的振转运动,分子表现出强荧光发射[11⇓~13]。
此外,研究者们利用DSA分子结构易于修饰的特点,通过化学修饰获得了具有不同发光特性的小分子、树枝状分子、齐聚物、聚合物等DSA衍生物。更为重要的是,DSA类衍生物扭曲的分子结构和多修饰位点,为其在聚集态提供了大的自由空间和丰富的分子间弱相互作用,奠定了聚集态结构调控的结构与材料基础,使其在光电器件、智能响应、离子检测和生物传感等领域展现出广阔的应用前景。我们将从分子结构设计、聚集态结构调控和功能应用等方面介绍具有优异AIE特性的DSA衍生物的相关研究进展(图1 )。
2.1.1.1 DSA材料
(1)有机小分子
通过引入氟原子易形成强的分子间C—H…F相互作用,从而有效调控分子聚集态结构,有利于形成不同形貌的微纳结构。Tian等[16]通过再沉淀法制备了基于DSA衍生物2和20~22的微纳结构,并获得了具有强荧光发射的带状纳米晶。
通过引入酸、碱敏感的基团(如羟基、氨基等),衍生物16和17在不同pH的溶液中表现出截然不同的发光性质,可以应用于荧光pH传感[17]。
(2)齐聚物
利用DSA易于修饰的特点,Tian和Xu等[25]报道了具有AIE特性的齐聚物32~34,分子结构的刚性和空间位阻的增加,影响着中心双键的运动自由度,分子表现出不同的聚集态的荧光特性。其中,在含水量为90%的THF/H2O溶液中33的荧光量子产率(PLQY)最高,且可以自组装成高效发光纳米环。
以吩噻嗪作为给电子基团的D-π-D型DSA分子35和36在极性溶剂中形成扭曲的分子内电荷转移(TICT)态,表现出红移发射,且具有较低的荧光量子产率,当加入大量水后,分子形成聚集体,限制了分子内扭转,消除了TICT态,表现出发光蓝移和发射增强的特征[12]。
(3)树枝状分子
树枝状分子是一类具有树枝状结构的大分子。Tian和Xu等[26]报道了一系列以DSA为中心,三苯胺为外围基团的兼具聚集诱导发光特性和大双光子吸收截面的树枝状大分子AnG0、AnG1和AnG2,随着代数的增加,分子从AIE转变为聚集增强发光(AEE)特性。其中,AnG2纳米粒子的荧光量子产率为85%,且其双光子吸收截面高达5180 GM。
(4)聚合物
此外,引入叶酸基团可获得两亲性共聚物38,并自组装成聚合物量子点(Pdots)[29]。Pdots具有高的荧光量子效率(27%),可用于HeLa细胞的特异性荧光成像。
2.1.1.2 DSA聚集态结构与功能
(1)高效发光晶体
结构与性能之间的关系是化学和材料科学领域的基本科学问题。聚集体的发光特性与聚集态结构密切相关,分子的电子跃迁强烈依赖于相邻分子跃迁偶极的相互作用和排列方式。在典型的二聚体激子模型中,主要存在跃迁偶极面对面平行排列的H-聚集模式和头尾平行排列的J-聚集模式。其中,H-聚集的最低激发态跃迁是禁阻的,不利于荧光发射;而J-聚集的最低激发态跃迁是允许的,有利于荧光发射。理论还预测了一种可能存在的跃迁偶极交叉排列的堆积方式,相邻分子跃迁偶极间的相互作用很弱,两个劈裂激发态与基态间的跃迁均是光学允许的,最有利于荧光发射。
Tian和Xu等[30]受蝴蝶结构的启发,提出了在刚性分子插上翅膀的分子设计策略,发展了具有“蝴蝶状”结构的DSA衍生物BDPVA分子(化合物24),获得了有利于发光的交叉偶极堆积结构。如图3 a所示,具有两个独立构象的分子以交叉堆叠模式沿b轴形成1D分子柱(交叉角为67°),扭曲的分子结构和分子间C—H…π相互作用有助于形成跃迁偶极交叉排列的堆积方式,有效避免了聚集导致的荧光猝灭,提高了晶体材料的固态发光效率(60%)。且BDPVA单晶具有优异的放大自发辐射(ASE)特性,半高峰宽为12 nm,最高净增益达69 cm-1,阈值为207 μJ·cm-2·pulse-1。
图3 (a) 蝴蝶型BDPVA单晶的荧光图像以及晶体中的两种分子构象[30]。(b) BDFVA的G相和B相晶体及对应的分子堆积[31]。(c) BDTVA晶体中分子的单轴取向以及光波导和偏振特性[34]Fig. 3 (a) Fluorescence image of butterfly-like BDPVA single crystal and corresponding two conformational structures of BDPVA[30]. (b) Crystal images of G-phase and B-phase and corresponding molecular packing of BDFVA[31]. (c) The uniaxial orientation of the molecules in the BDTVA crystal and corresponding waveguide and polarization performance[34] |
此外,他们还进一步发展了蝴蝶状分子BDFVA(化合物25)[31]。如图3 b所示,绿色荧光的G相以25.9°的倾斜角形成J-聚集堆积模式,ФF为43%。蓝色荧光的B相以73.5°的交叉角形成交叉偶极堆积模式,ФF为60%。相较于G相,B相中分子扭曲程度更高,且更丰富的相互作用能在更大程度上限制分子的振动和旋转。跃迁偶极交叉排列堆积的B相晶体表现出优异的ASE性能,比G相拥有更低的阈值、更窄的半峰宽和更高的增益,有望应用于固体激光器。
通过共晶策略调控超分子相互作用可以有效调控分子堆叠模式,从而实现对光学性能的调控。Tian和Xu等[35]通过缓慢蒸发法得到了两种不同晶型的共晶,二者光学性质的显著差异与堆积结构以及分子间的相互作用密切相关。其中,弱绿色发射的C1晶体(ФF=2%)相邻的两个分子间存在强π-π相互作用并形成局部H-聚集体,而亮黄色发射的C2(ФF=34%)中主体分子呈J-聚集堆积,且没有明显强的分子间相互作用。
(2)聚集态结构的动态调控
外部压力刺激是调控聚集态结构的有效手段。施加机械力就可以改变分子的堆积模式和发光性能,这吸引着研究者们探索机械力-结构与性能之间的关系,从而开发新材料,并试图将这种智能材料应用于荧光传感器、安全油墨、无墨印刷和存储芯片等领域[36]。
2012年,Tian等[37]率先报道了高压下双邻位吡啶取代的DSA衍生物BP2VA发光特性的原位观测,从分子层面揭示了压力刺激下聚集态结构与发光性质变化的作用机制。在各向异性研磨下其粉末荧光颜色由绿色转变为黄色;在各向同性静压力刺激下荧光颜色可转变为红色,实现高达124 nm的压致变色位移。如图4 a所示,他们通过溶剂扩散法获得了三种不同聚集结构的晶型:C1(J-聚集)、C2(H-聚集)、C3(面对面堆积的二聚体)。结合不同聚集态的单晶结构与光物理性质,阐明荧光发射从绿色向红色的转变可归因于相邻蒽平面之间的π-π相互作用的增强、激子耦合和相邻分子之间的轨道重叠的增加。
图4 (a) 压力刺激下BP2VA不同聚集态的堆积模式及发光颜色[37]。(b) 不对称质子化的BP4VA-1H和对称质子化的BP4VA-2H晶体的荧光图像以及分子堆积[45]。(c) DSA-2SP在紫外光和热的交替刺激下分子构型、荧光颜色的可逆改变以及防伪颜料和超分辨成像应用。(d) BP4VA-FIB共晶的多晶型以及多重外界刺激下晶体到晶体(SCSC)的相变以及发光颜色转变[49]Fig. 4 (a) The Stacking modes and corresponding emission colors of different aggregation states of BP2VA under pressure stimulation[37]. (b) Fluorescence images of asymmetrically protonated BP4VA-1H and symmetrically protonated BP4VA-2H crystals and corresponding molecular packing in the crystals[45]. (c) DSA-2SP molecular configuration, reversible change of fluorescence color, anti-counterfeiting pigments and super-resolution imaging applications under alternating UV light and heat stimulation. (d) Polymorphs of BP4VA-FIB cocrystal and the crystal-to-crystal (SCSC) transition and corresponding changes of fluorescence color under multiple external stimulation[49] |
值得一提的是,DSA衍生物与HCl混合溶液中自组装可以获得不对称质子化的晶体,而与H2SO4混合溶液中自组装则可得到对称质子化的晶体(图4 b)[45]。不对称质子化的BP4VA-1H晶体由于偶极矩增强以及分子间紧密堆积,较对称质子化BP4VA-2H晶体表现出进一步的红移发射。这类质子化晶体为理解不同质子化状态下的超分子相互作用、聚集态结构以及发光特性之间的内在联系搭建了桥梁。
针对聚集态下螺吡喃(SP)分子光异构化的难题[46],Tian和Xu等[47]提出了构建固态荧光光开关的分子设计新策略,将DSA与SP通过柔性酯键以非共轭方式链接,得到了新型固态光刺激响应材料DSA-2SP。如图4 c所示,在紫外光的刺激下SP转变为部花菁(MC)构型,初始黄色的DSA-2SP粉末转变为紫黑色,荧光颜色由黄色变为红色。加热刺激后,其颜色和荧光颜色均可恢复到初始状态。研究表明,DSA-2MC分子间存在从DSA配体到MC配体的能量转移过程,致使紫外光照射后粉末荧光颜色从黄色转变为红色。此外,DSA配体具有扭曲的分子构型,为SP的光致异构创造了较大的自由空间,且进一步与MC配体形成了分子内氢键,稳定了MC构型,提高了开环构型的稳定性。这种通过光刺激调控聚集态结构与性能的DSA-2SP材料可以应用在防伪涂料和超分辨成像颜料领域。
具有多刺激响应的可逆荧光切换的有机材料是非常罕见的。由于缺乏无定形粉末中的堆积结构,通过不同多晶型的聚集态结构来揭示分子水平上发光转变的潜在机制成为一种有效策略。Tian和Xu等[48]报道了BPS3A的两种多晶型(G相和O相),在机械研磨、加热、酸碱刺激下均表现出荧光颜色改变。其中,J-聚集的G相(绿色)和H-聚集的O相(橙色)在机械研磨刺激下都表现出红移发射。随后,在150 ℃下加热5 min,研磨后的G相可以部分恢复到初始发射,而研磨的O相几乎转变为G相的初始发射。粉末X射线衍射测试表明,O相可以通过研磨和加热过程转变为G相的结构。用HCl蒸气熏蒸时,由于吡啶N质子化以及Cl-和质子化分子强氢键的形成,G相和O相表现出红移发射。而当用二乙胺熏蒸时,二乙胺蒸气从质子化的吡啶中捕获质子,两个晶相显示出蓝移发光。不同的是,G相晶体结构表明,吡啶基团的氮原子会与相邻分子形成强烈的C—H…N相互作用,在质子化过程中,进入的HCl会破坏初始相互作用从而导致晶相的破坏。相反,由于O相中不含C—H…N相互作用,初始分子间相互作用不会被质子化和去质子化破坏,因此O相仍保持结晶状态。
随后,通过超分子自组装策略实现了两种发光共晶多晶型之间的多刺激触发的晶体到晶体相变(图4 d)[49]。通过控制结晶溶剂和改变不同组分间的摩尔比成功得到了两种(BP4VA-FIB)共晶Ⅰ(黄色针状晶体)和共晶Ⅱ(绿色块状晶体)。黄色荧光的多晶型I可经THF蒸气熏蒸或加热转变为绿色的多晶型Ⅱ,多晶型Ⅱ通过研磨又可恢复到黄色荧光。晶体I中定向的氢键和卤键会受到加热过程中增强的分子内振动和转动的影响以及极性溶剂(THF)的影响,同时,分子取向的变化促进了非定向的π-π相互作用的形成,进而驱动特定的分子重组,导致发生相变。由于吡啶基团和Cl—N卤键的存在,共晶Ⅰ和Ⅱ在HCl蒸气刺激下N质子化,进而导致荧光颜色分别红移至橙色/红色。
2.1.2 四苯基苯
图5 (a) TPB-AC基器件的电流效率-电压曲线,器件结构:Ⅰ: ITO/NPB (60 nm)/TPB-AC (20 nm)/TPBi (40 nm)/LiF (1 nm)/Al; Ⅱ: ITO/NPB (40 nm)/TPB-AC (20 nm)/TPBi (40 nm)/LiF (1 nm)/Al[55]。 插图: TPB-AC的化学结构。 (b) 优化器件的功率效率-外量子效率-亮度曲线(P-EQE-L)。器件结构:ITO/HAT-CN (5 nm)/TAPC (50 nm)/TCTA (5 nm)/TPB-AC (20 nm)/ETLs (40 nm)/LiF (1 nm)/Al (120 nm), Bphen和BCP是ETLs[56]Fig. 5 (a) Current efficiency versus voltage plots of the TPB-AC based devices. Device configuration: Ⅰ: ITO/NPB (60 nm)/TPB-AC (20 nm)/TPBi (40 nm)/LiF (1 nm)/Al; Ⅱ: ITO/NPB (40 nm)/TPB-AC (20 nm)/TPBi (40 nm)/LiF (1 nm)/Al[55]. Insert: chemical structures of TPB-AC. (b) Power and external quantum efficiencies as a function of luminance of the resulting devices. Device configuration: ITO/HAT-CN (5 nm)/TAPC (50 nm)/TCTA (5 nm)/TPB-AC (20 nm)/ETLs (40 nm)/LiF (1 nm)/Al (120 nm), Bphen or BCP is chosen for ETLs[56] |
随后,Qin等[54]在TPB-AC的基础上,通过在分子偶极矩的方向增加苯环数量来构筑AIE发光材料——CN-TPB-TPA(图6 a, b)。该分子展现了高的固态发光效率,此外,通过增加分子跃迁偶极矩长轴方向的苯环数量可以有效提高分子的水平偶极取向。因此,CN-TPB-TPA也展现了高的水平偶极取向,数值达到83.6%(图6 c)。因为其高的固态发光效率和优异的水平偶极取向,CN-TPB-TPA基非掺杂器件展现了优异的器件性能,其EQE高达7.26%,超过了普通荧光OLED效率5%的限制(图6 d)。理论计算表明,分子的高能级T3→S1的反系间窜越过程和分子间相互作用也有可能是高性能非掺杂器件的原因。此外,由于CN-TPB-TPA平衡的空穴和电子传输能力,将其作为深蓝光发光层和橙色磷光主体材料实现了WOLEDs的制备。白光器件展现了低的启亮电压(2.8 V)和优异的器件性能(EQE=19.1%、CE=58.0 cd·A-1和PE=60.7 lm·W-1)(图6 e)。这些结果展现了这类新型发光材料在制备非掺杂深蓝光和混合白光OLED领域的巨大潜力。
图6 (a) 深蓝光AIEgens。 (b) CN-TPB-TPA的UV-vis光谱(THF溶液)和光致发光光谱(薄膜态)。(c) CN-TPB-TPA 30 nm薄膜在极化光下的角度依赖光谱(448 nm)。(d) 最优深蓝光器件的外量子效率-亮度曲线。(e) 最优混合白光器件的功率-外量子效率-亮度曲线[54]Fig. 6 (a) Chemical structures of deep blue AIEgens. (b) UV-vis (THF solution) and photoluminescence (PL, films) spectra of CN-TPB-TPA. (c) Angle-dependent PL intensity of p-polarized light from the 30 nm-thick films at 448 nm for CN-TPB-TPA. (d) External quantum efficiencies as a function of luminance of the resultant deep blue OLEDs. (e) Power and external quantum efficiencies as a function of luminance of the resultant hybrid white OLEDs[54] |
Qin等[52]进一步将三苯胺基团更换为给电子能力更弱的咔唑衍生物,设计合成了新型的蓝紫光AIEgen——TPBCzC1-TPBCzC3。减弱ICT强度使得化合物TPBCzC1-TPBCzC3发光发生蓝移,同时保证了其高效的固态发光量子效率。此外,他们还通过改变咔唑的连接位置调控了发光分子的发光波长,使得发光分子的固态发光波长位于紫光到深蓝光区域,固态发光量子效率接近100%(图7 a)。TPBCzC1基非掺杂OLED的EQE是4.34%,CIE(0.160,0.035),这是第一例报道的CIEy小于0.046的非掺杂AIEgen基OLED。同时,基于TPBCzC2的OLED的最大EQE也达到了4.78%,CIE坐标为(0.159,0.060)(图7 b~d)。这项工作为蓝紫光OLED提供了一种实用的分子设计策略,对于下一代超高清显示应用至关重要。
图7 (a) 蓝紫光AIEgens的设计原理和化学结构。(b) 最优非掺杂蓝紫光OLEDs的外量子效率-亮度曲线。插图:器件B1的发光。(c) 器件B1~B3在5 V下的电致发光光谱。(d) 基于荧光材料制备的CIEy<0.046的蓝紫光OLEDs的最大EQE值。器件B1: EBL:mCP和EML:TPBCzC1; B2: EBL:TCTA和EML:TPBCzC2; B3: EBL:TCTA和EML:TPBCzC3[52]Fig. 7 (a) Design principle, chemical structures of violet-blue AIEgens. (b) External quantum efficiencies as a function of luminance of the resultant non-doped violet-blue OLEDs with different EBLs and emitters. Inset: the emission of device B1. (c) Electroluminescence (EL) spectra of B1-B3 at 5.0 V. (d) Maximum EQE values of the representative violet-blue OLEDs with CIEy smaller than 0.046 based on fluorescent materials. Device B1: EBL:mCP and EML:TPBCzC1; B2: EBL:TCTA and EML:TPBCzC2; B3: EBL:TCTA and EML:TPBCzC3[52] |
2.1.3 四苯基吡嗪
除了纯烃类的AIE分子,一些杂原子体系也被竞相发展。事实上,AIE概念的提出就是从含杂原子的噻咯衍生物非常寻常的发光现象总结而来。由于杂原子种类繁多,所产生的杂原子AIEgens也具有很大的结构多样性。本小节旨在讨论一种新兴的杂原子AIEgens——四苯基吡嗪(TPP)。TPP和HPS、TPE一样,都具有扭曲的分子构型。这使其在溶液中容易由于分子内运动而非辐射地耗散激发态能量,进而不发光,但在聚集态下由于分子运动受限使得辐射跃迁通道打开,实现荧光增强。
2.1.3.1 TPP的合成
TPP的合成十分简单,一般可通过安息香或苯偶酰与二苯基乙二胺缩合成环反应制得[57](图8 )。该反应涉及的底物简单、反应条件温和、产物分离便捷,为获得更多的TPP衍生物奠定了基础。相比于TPE,TPP中心由于不存在双键,不易发生光致异构化和热氧化,从而具有较好的光/热稳定性;相比于HPS,TPP中心的吡嗪环不易在碱性氛围下发生分解,因此具有较好的化学稳定性。此外,TPP还具有一定的电子亲和能力,通过在其上引入苯基π桥或甲氧基弱电子给体,Qin和Tang等[57]获得了AIE分子TPP-4M、TPP-2P、TPP-2PM、TPP-2MP、TPP-2MPM,且由于不同的共轭效应和D-A效应,这些TPP衍生物的最大发射覆盖了整个蓝光区域(图9 )。
借助于TPP的电子效应,Qin和Tang等[58]继续在TPP上修饰不同数量的三苯胺强电子给体单元,制备得到了AIE分子TPP-TPA、TPP-2TPA和TPP-4TPA(图10 )。由于这些分子拥有较强的D-A效应以及灵活的分子构型,使其呈现TICT效应和AIE效应。这些AIE分子固态粉末分别发射天蓝光、绿光和黄绿光。其中,TPP-TPA具有较高的ФF(35.2%),用其制备的三层结构的电致发光器件的最大发射为482 nm,且具有低的开发电压(3.7 V)、高的最大亮度(17459 cd·m-2)和最大外量子效率(2.88%)。此外,得益于这些分子的D-π-A结构,它们还具有双光子荧光性质。他们研究了它们在二氯甲烷溶液中700~900 nm激光激发下的双光子吸收截面。TPP-TPA和TPP-2TPA具有相似的双光子吸收截面,而TPP-4TPA的结果明显增大(最高可达到480 GM)。这说明,增加电子给体的数量是影响D-π-A结构AIE分子双光子荧光性质的重要因素之一。
2.1.3.2 TPP衍生物的应用
在TPP上修饰活性基团将会增加AIE分子的刺激响应性能。Tang等[59]通过在TPP上修饰二腈基乙烯基团得到了AIE分子TPP-PDCV。TPP-PDCV具有D-A结构,其在二甲基亚砜(DMSO)/缓冲液混合液中由于TICT效应发射565 nm的橙黄光。当加入H2S后,由于H2S能对TPP-PDCV中的双键进行亲核加成,从而破坏了分子的D-A效应。与此同时,形成的二硫化合物TPP-2PS由于具有较弱的极性及强的分子刚性,容易发生聚集,从而使橙黄发射逐渐削弱而短波段的蓝光AIE发射逐渐增强。这种对于H2S的比例型荧光检测可在10 min内完成,并在0~75 μM和150~225 μM浓度范围内进行定量检测(检测限为0.5 μM)(图11 )。此外,该荧光探针相对于常见的阴离子和生物巯基具有好的选择性。TPP-PDCV在丙酮和甲苯中重结晶还可得到分别发射绿光和橙黄光的晶体粉末。绝大多数AIE材料具有机械力刺激发光红移的现象,而这种橙黄色的粉末却具有反常的机械变色行为:它在研磨下发光颜色从橙黄光蓝移至绿光,并且原发光性质可在高温退火下得以回复,这种可逆的机械变色行为源于橙黄光晶态粉末晶型的破坏及重结晶后晶型的恢复。
此外,AIE分子的异构效应将会对其功能性产生明显影响。Tang和Qin等[60]通过在TPP苯环对、间、邻位上修饰三苯基乙烯单元,得到了TPP-p-TPE、TPP-m-TPE和TPP-o-TPE三种AIE异构体,并深刻探讨了它们的构效关系(图12 )。这三种AIE异构体的分子构型从延展向折叠演变,导致分子共轭逐渐变差,从而使其发光波长和效率逐渐蓝移和降低。TPP-p-TPE、TPP-m-TPE由于具有较高的固态发光效率(分别为54.2%和34.2%),可用于制备三层结构的电致发光器件。结果表明,虽然TPP-m-TPE器件的发射接近纯蓝光,但TPP-p-TPE明显具有更高的最大亮度和最大外量子效率,这说明增加分子共轭可以提高器件的性能。此外,他们还研究了这种异构效应对分子作为纳米荧光探针性能的影响。研究发现,对于苦味酸(PA),其能对探针产生显著的由静态猝灭机理主导的荧光猝灭效应;而对于Ru3+,动态猝灭能则对探针产生一定的荧光猝灭效应。而不论是动态猝灭还是静态猝灭,良好的分子共轭有利于增加分子对分析物的亲和性,提高探针性能。同时,增加分子的折叠同样能提高探针的性能,这是由于折叠结构有利于提升聚集体的多孔性,从而提高其对分析物的容纳能力。最后,他们通过单晶生成得到了容纳不同溶剂分子的TPP-m-TPE有机多孔晶体,发现TPP-m-TPE折叠结构帮助其在晶体内部产生了有序的一维纳米通道,且其多孔结构不受客体分子的影响。
Qin和Tang 等[61]还基于一价铜催化的点击聚合反应制备了含有TPP单元的聚三唑(图13 )。研究表明,当TPP被衍生成聚合物后,其AIE效应能够得到很好的保持。这主要是由于聚合物中含有结构扭曲的TPP单元,可促使其在溶液中的分子运动,以非辐射的形式耗散激发态能量,而在聚集态下阻止分子间π-π堆积,有效防止了荧光猝灭。相比之下,当聚合物中TPP单元中的两个苯基被腈基替换后,其却呈现ACQ效应。这是由于腈基是强吸电子基团,腈基的引入一方面促使发光单元TICT效应的产生,使其在溶液中发光,另一方面使发光单元更加平面,促使了π-π堆效应的形成。上述结果说明,选择结构扭曲的TPP单元是设计AIE聚合物的关键。
TPP的结构与TPE类似,具有较好的对称性,因此在结构化学方面具有广阔的发展前景。Tang等[62]基于TPP-4OH制备了含有TPP单元的笼状化合物TPP-cage(图14 )。TPP-4OH在溶液中由于分子内运动而不发光,而TPP-cage却在溶液态发射量子效率高达34.3%的蓝色荧光。理论研究表明,TPP-cage中苯环由于拥挤的排列,其旋转位垒要明显高于TPP-4OH,而这种分子内运动的限制促使了荧光的产生。此外,TPP-cage能够提供亲油的空腔,用于捕获橙黄光发射的ACQ分子吡咯并吡咯二酮(DPP),形成白光发射的主客体复合物,说明通过这种主客体相互作用可以抑制DPP的ACQ效应,并实现了对蓝光和橙黄光的同时利用。而后,他们发现通过将主客体复合物掺杂在聚乙二醇中,并涂覆在紫外灯片上,可实现长期的、稳定的白光照明。此外,TPP是非手性分子,而TPP-cage却具有手性,这源自于分子笼的位阻效应迫使TPP上苯环采取顺时针或逆时针的螺旋排列。
研究人员还将TPP用于MOF材料的研究中,Yin等[63]基于TPP-4COOH通过与镧系离子(Eu3+、Tb3+和Gd3+)配位制备了Eu3+-MOF、Tb3+-MOF和Gd3+-MOF。研究表明,不同镧系离子对MOF的发光行为产生了显著不同的影响。Eu3+-MOF发射分别来自TPP和Eu3+的420和630 nm的双荧光(图15 a)。相比之下,Gd3+-MOF只发射来自TPP的荧光,而Tb3+-MOF在保持TPP发射的同时仅存在弱的Tb3+发射。这由于不同MOF中TPP配体具有不同的单线态和三线态能级差以及配体三线态和镧系离子激发态能级差,从而决定了不同的系间窜越和能量转移效率(图15 b)。相比TPP-4COOH,这些MOF的发射波长较为蓝移,这由于TPP-4COOH需要调整自身的构型来适应MOF晶格。此外,TPP-4COOH在粉末态的发光量子效率为12.9%,而Eu3+-MOF的发光效率却高达60.8%,说明可通过这种配位效应显著提高材料的发光效率。而后,他们还发现Eu3+-MOF的双发射可用来设计检测瓜氨酸的比例型荧光探针。当加入瓜氨酸时,Eu3+-MOF中TPP的发射显著增强,而Eu3+的发射保持不变,这是由于瓜氨酸中的氢和TPP中的氮原子形成了氢键相互作用,从而限制了TPP中苯环的旋转(图15 c)。为了验证这种相互作用的影响,他们以四羧基取代的TPB与Eu3+配位制备了另一种MOF,发现其未能对瓜氨酸有比率型的荧光响应,说明利用TPP的结构特性能够便捷地设计功能发光材料(图15 d)。
2.1.4 多芳基并吡咯
吡咯作为一种典型的芳香性杂环,其结构广泛存在于天然产物中,具有丰富的功能可修饰性和性能可调节性[64],一直以来得到极大关注,并在合成和应用等方面取得了重大进展。
2.1.4.1 分子结构-光物理性能关系
基于此,Dong等[70]将天然化合物-香豆素作为转子引入到吡咯环1位,以借助其较大尺寸抑制激发态非辐射能量耗散,为此合成了一系列香豆素基多芳基吡咯(MAP)衍生物MAP1~4(图16 )。结果表明,MAP1、MAP2和MAP4均表现出AEE特性,成功实现了香豆素从ACQ到AEE的转变。然而MAP3却表现出ACQ性质,不同于1,3,4-三苯基吡咯具有AIE性质[71]。单晶结构分析显示,与MAP2中1位69.2°的大扭转角不同,MAP3由于2,5位为H原子缺乏空间位阻,在香豆素基团和吡咯环之间出现了极小的扭转角(9.7°),更平面化的构型使得MAP3在聚集态下形成了3.438和3.435 Å的分子间π-π堆积,从而表现出ACQ性质。其次,实验结果还表明MAP2的最大发射波长(λem=537 nm)比MAP4 (λem=519 nm)、MAP1 (λem=511 nm)红移更多,这归结于2,5位取代基增强了MAPs共轭程度。这说明当1位引入大平面共轭取代基时,2,5位取代基对调控MAPs的发光性能起到至关重要的作用。
近红外AIE化合物以其独特的优势,正在生物成像与诊疗等领域开展应用研究[72,73],吡咯作为AIE体系新的核心骨架也随之受到广泛关注,Dong等[74]通过引入不同的给体、受体和连接单元来调节荧光强度和发射波长,并阐明结构对其光物理性质的影响规律,从而为实现多芳基吡咯的NIR性能提供理论指导。研究表明,当吡咯的3位连接强吸电子吲哚受体时,通过在吡咯的2,5位引入不同给体基团,所合成的具有AIE特性的三种D-π-A型NIR化合物MAP5~7中,由于三苯胺的给电子能力强增加,使得固态最大发射波长从600 nm红移到724 nm。而3位引入更强的吸电子基团呋喃烯结构时,所得到化合物MAP8~11中,鉴于N,N-二甲基苯胺的给电子效果最好,MAP11的固体最大发射波长达到866 nm,尾部可以延伸到1200 nm,进入近红外Ⅱ区[75]。
获得长波长发射除了采取D-π-A策略,引入稠环增加共轭程度也是常用的第二种策略。为此,Dong等[76]在吡咯的2,5位引入了一系列稠环,得到具有AEE特性的MAP13~17六种化合物。分析表明,吡咯的2,5位的稠环对染料的发光性能是一把“双刃剑”:既有利于增加发射波长,其中固体发射最长的是MAP15,可达729 nm;同时也因为引入稠环而容易导致π-π相互作用,不利于固态发射,使得荧光量子产率偏低,其中MAP17最高(6.56%)。
上述通过增强共轭程度获得长荧光发射是目前常用策略之一,但该策略同时也会增加分子间的π-π相互作用,不利于聚集态下的荧光发射。所以,他们尝试利用不同长度的烷基链调控近红外MAP衍生物MAP18~23聚集态下的规整度,抑制聚集态时的分子间π-π相互作用,从而使得MAP20获得较高的固体荧光量子产率(32.86%, 663 nm)[77]。
与吡咯相比,并吡咯具有更大的共面性,以及更高的电子富集度,从而赋予多芳基并吡咯(MAPP)与MAP显著不同的光物理特性。他们对具有AIE性质的MAPP1(图17 )在不同培养环境所获得的单晶结构进行了分析。结果表明,溶剂、分子构象、分子间作用力和分子堆积方式会共同作用导致MAPP1具有三种不同的单晶晶型以及发射波长:A (λem=480 nm)、B (λem=504 nm)和C (λem=540 nm),而且上述三种单晶在一定条件下可以相互转化,即单晶C由氯仿熏蒸12 h可转化为单晶B,再熏蒸12 h转化为单晶A,这表明MAPP1具有AIE性能可调性[78]。在此基础上,该课题组又合成了13种MAPP衍生物,并发现1,4位为吸电子基团、2,5位为供电子基团的MAPP2具有AIE特性(图17 )。基于单晶分析和理论计算均证实了其AIE性质是通过抑制TICT效应和固态中的π-π相互作用来实现的[79]。该课题组进一步改变并吡咯核2,5位苯环对位引入吸电子基团,构筑三个D-A型化合物MAPP4~6。研究发现,与没有吸电子基团的MAPP3相比,由于吸电子基团使2,5位苯环转动“僵化”,使得苯环与并吡咯核之间的扭转角较小,共平面性增强,故MAPP4~6均表现出ACQ性质[80]。
2.1.4.2 应用
在一系列MAP衍生物中,Dong等开发的MAP11利用两亲性聚合物包裹所制备的MAP11纳米粒子(MAP11 NPs)的光热转换效率(PCE)高达72%,表现为具有优异的光热性能。在激光照射下,MAP11 NPs可使小鼠肿瘤部位在10 min内迅速升温到64 ℃,两周内甚至完全消融小鼠肿瘤,而不影响小鼠的生理状态,从而达到高效、安全的光热治疗效果(图18 )。
图18 4T1荷瘤小鼠的体内成像和肿瘤治疗能力。(a) 荷瘤小鼠注射MAP4-FE NPs后的肿瘤部位PA图像(1.5 mg·mL-1, 200 μL, n=3, 660 nm, 0.5 W·cm-2, 10 min,300 J·cm-2)。(b) (a)中肿瘤部位归一化PA强度曲线随时间的对应关系。(c) 在激光辐照下肿瘤控制组和注射MAP4-FE NPs组肿瘤检测的温度变化(9 h后,老鼠用激光辐照(660 nm, 0.5 W·cm-2, 10 min,300 J·cm-2)。(d) 将4T1荷瘤小鼠分为4组(对照组不给予任何治疗,一组仅给予0.5 W·cm-2激光照射,一组仅给予MAP4-FE NPs,最后一组给予MAP4-FE NPs和0.5 W·cm-2激光照射)。各组治疗后肿瘤体积的变化,插入物显示治疗14天后的肿瘤图像(每两天记录小鼠肿瘤体积和体重)。(e) 不同组肿瘤小鼠的照片。(f) 各组治疗后肿瘤组织的H&E和TUNEL染色分析[81]Fig. 18 In vivo imaging and tumor therapy capacity of 4T1 tumor-bearing mice. (a) PA images of the tumor sites from a representative tumor-bearing mouse post injection of MAP4-FE NPs (1.5 mg·mL-1, 200 μL, n=3, 660 nm, 0.5 W·cm-2, 10 min, 300 J·cm-2). (b) Correspondence to the normalized PA intensity curve of the tumor sites in (a) over time. 4T1 tumor-bearing mice were divided into four groups (control group without any treatment, 0.5 W·cm-2 laser irradiation only, MAP4-FE NPs only, and MAP4-FE NPs with 300 J·cm-2 laser). (c) Temperature changes in tumors under laser irradiation after administration of Control or MAP4-FE NPs (nine hours after the injection, the mice were irradiated with a laser (660 nm, 0.5 W·cm-2, 10 min, 300 J·cm-2), and the temperature of the tumor was detected by a thermal imager). (d) The relative tumor volume changes after various treatments, and the inset shows the tumor images after 14 days of treatment (the tumor volumes and body weights of the mice were recorded every two days). (e) Photos of tumor-bearing mice from different groups. (f) H&E and TUNEL staining analyses of tumor tissues after various treatments (color online)[81] |
分子动力学模拟证明了处于聚集状态的MAP11表现出松散的堆积,分子具有较大的自由运动空间,从而导致激发态能量更多以非辐射跃迁的方式耗散,表现出高的PCE。除了高效的光热转换性能,MAP11分子窄的单重态-三重态能隙有利于系间窜越过程,表现出较高的ROS生成效率,进一步增强了对肿瘤的治疗效果。因此,这种将小转子给体引入分子结构中的设计策略,为小分子光疗剂的设计提供了新的思路,为多功能治疗癌症平台的设计提供了新的视角[81]。
基于MAPP结构,Dong等设计制备了一系列具有AIE性质的新型液晶分子(图19 a)。其中,中间间隔烷基较短的MAPP具有更显著的AIE性质,同时增加烷基链长度赋予MAPP更明显的液晶(LC)性质,并归属于单向液晶相,呈现近晶LC相纹理(图19 b)。
图19 (a) MAPP7的衍生物。(b) 以0.5 ℃·min-1的降温速率将MAPP7-C6降温至103 ℃和MAPP7-C12降温至87 ℃时观察到的液晶织构,左下角的插图是液晶相在紫外灯下的照片。(c~e) MAPP7-C6和MAPP7-C12液晶薄膜的2D GIWAXS图;MAPP7-C6和MAPP7-C12的2D GIWAXS散射图样在平行和垂直方向的信号强度。(f~h) TPPP-C6和TPPP-C12在液晶相的分子排列模型[82]Fig. 19 (a) Derivatives of MAPP7. (b) The liquid crystal texture observed when MAPP7-C6 is cooled to 103 ℃ and MAPP7-C12 is cooled to 87 ℃ at a cooling rate of 0.5 ℃·min-1. The illustration in the lower left corner is a photo of the liquid crystal phase under ultraviolet light. (c~e) 2D GIWAXS images of MAPP7-C6 and MAPP7-C12 liquid crystal films; signal intensity of 2D GIWAXS scattering patterns of MAPP7-C6 and MAPP7-C12 in parallel and vertical directions. (f~h) Molecular arrangement model of TPPP-C6 and TPPP-C12 in liquid crystal phase[82] |
通过同步辐射X射线对MAPP-C6和MAPP-C12进行2D GIWAXS分析(图19 c~e),表明MAPP-C6和MAPP-C12在LC相中具有高度有序的分子排列层状结构(图19 f~h),并基于分子模型和密度泛函理论(DFT)计算,进一步揭示了分子构型与其AIE、LC特性之间的关系[82]。
与此同时,他们还对MAPP3-6进行了深入研究。结果表明,通过改变2,5位苯环对位取代基吸电子能力不仅能够调控化合物的发光波长,而且可促进液晶相的形成,因为只带有强吸电子能力的MAPP5和MAPP6才能通过热处理组装成液晶,这为实现性能的优化设计提供了参考依据。由于具有良好的液晶性,MAPP6表现出显著的温度刺激响应发光现象,在135~185 ℃温度区间具有点亮型发光,并伴随着发射波长的变化(图20 a, b)。变温XRD表明MAPP6加热到该温度区间时诱导聚集态结构发生了从固态到液晶态再到各向同性液态的相变过程,破坏了原始状态下的分子间π-π相互作用。与对温度敏感相应,MAPP6也呈现力致变色与荧光增强的性能,经充分研磨后量子产率从原始状态0.1%提高到4.3%,发射波长从610 nm红移至648 nm,其机理式机械力诱导MAPP6从一种短程有序的层状结构转变成另一种长程有序的层状结构,并且研磨后减弱了分子间π-π堆积,因此荧光显著增强。这些性能与功能为指导新型传感材料与器件的设计与应用奠定了基础。
图20 (a) TPPP-NO2在365 nm紫外灯下从30 ℃加热到210 ℃过程中的发光照片。(b) TPPP-NO2从20 ℃加热到210 ℃过程中的变温荧光光谱图。(c, d) (b) 中荧光发射波长和荧光强度的变化情况,I0: 20 ℃时TPPP-NO2的荧光强度[82]Fig. 20 (a) Photos of TPPP-NO2 during the heating process from 30 to 210 ℃ under 365 nm UV light; (b) temperature-dependent fluorescence spectra during the heating process from 20 to 210 ℃; (c) the corresponding PL wavelength maximum shift behavior and (d) PL intensity change behavior of (b), I0:Fluorescence intensity of TPPP-NO2 at 20 ℃[82] |
基于以上所述,迄今所取得的研究成果都清晰表明,开发的多芳基(并)吡咯已经成为AIE体系的重要组成部分,并在生物成像与诊疗以及智能传感等方面具备着巨大的潜力,有望成为“AIE明星分子”。
2.2 AIE共晶体系
2.2.1 AIE共晶
共晶是由两种或两种以上的不同分子以一定化学计量比通过分子间非共价键(氢键、卤素键、π-π、电荷转移作用力)作用识别组装而成,并结合在同一个晶格中的固体[94]。由于共晶中不同分子间的协同效应和集合效应,会实现单组分所不具备的新颖性能[95]。基于超分子化学和晶体工程,通过选择合适的共组装单元进行共结晶,利用分子间不同的相互作用,可以实现具有AIE发光的新型功能共晶。在共晶中,典型的分子间相互作用力分别为氢键、卤素键、π-π相互作用和电荷转移相互作用(CT)。此外,由π-π相互作用形成的共晶,其平面结构和平行堆积方式,使激发态能量以非辐射形式耗散,容易导致荧光猝灭[96]。所以,目前根据分子间的相互作用,具有AIE性能的共晶主要分为两类:氢键/卤键共晶和电荷转移共晶。
2.2.1.1 氢键/卤键AIE共晶
氢键和卤素键是超分子化学和晶体工程中重要的非共价键作用力,在设计功能固体体系中广泛应用,其中,不同类型的卤素/氢键供体和受体可以调节共晶分子的堆积模式,从而影响共晶的性能[97⇓~99]。目前,具有AIE性能的氢键/卤键共晶也被开发出来,进而改善单组分的发射性能单一的问题。例如,Yan等[100]报道出一系列4-(1-萘乙烯)吡啶(NVP)基的卤素键和氢键共晶,共组装单元分别为1,4-二碘四氟苯(A)、4-溴-2,3,5,6-四氟苯甲酸(C)、4-苯甲酰基苯甲酸(D),合成的共晶表现出典型的AIE特性(图21 )。选择以CH3OH和水作为溶剂对时,观察到随着不良溶剂水浓度的增加,样品的荧光发射强度显著增强,并且聚集状态下的样品显示出不同的发光颜色,从紫色、蓝色、绿色到青色,随着水含量的增加,颜色变得越来越明显,这与共晶的形成过程相对应。他们认为,一方面,形成共晶的过程,是不同自组装分子单元之间的共聚集过程;另一方面,氢键或卤键的推动作用,使共晶具有扭曲的紧密结构,并且偏离面对面堆积,得以固定,避免形成H聚集引起的荧光猝灭。此外,共晶处于低温和凝聚状态下的荧光增强,表明聚集态下分子转动受到阻碍,也再次证实共晶的AIE特性。
2.2.1.2 电荷转移AIE共晶
自1973年研究者们最早发现四硫富瓦烯与7,7,8,8-四氰基对苯醌二甲烷(TTF-TCNQ)共晶[101],CT共晶开始受到人们的关注,并成为研究人员探索不同于单一材料物化性能的契机。电荷转移相互作用通常发生在由供体(D)和受体(A)组成的分子系统中,转移程度大小取决于共晶中供体的电离势、受体的电子亲和静电库仑相互作用。此外,D-A结构体系的发射有助于进一步拓展到长波长区域,使其在光学领域应用更加广泛[102]。为了获得宽范围的AIE体系,构造D-A结构的方法比较常见,通过设计供吸电子,如在四苯基丁二烯、咔唑、吡咯等给体分子上连接受体官能团[103],产生分子内电荷转移,使电子从最低能量分子轨道跃迁到空的高能量分子轨道,并且降低HOMO-LUMO能隙。但是该方法目前也存在的一些问题,例如,设计AIE供体-受体分子需要复杂的化学合成步骤,周期较长;位阻基团的加入有可能扭曲发色团的构象,降低发色团的电子传递或空穴传递能力等。而共晶的主要优势在于其制备简单,可以采用主客体小分子进行电荷转移AIE共晶的设计。
9-乙酰基蒽是由较强的π-π作用堆积成平面和刚性结构,激发态时以非辐射形式衰减,形成激基缔合物,导致荧光猝灭。而与发光很弱、同样无AIE性能的小分子1,2,4,5-四氰基苯进行自组装后,可形成电荷转移态共晶,荧光量子产率提高至45.52%,聚集态形式下产生橙色发光的AIE效应[104]。Yan等[104]选用丙酮-水作为溶剂对其AIE性能进行研究,如图22 所示,当水含量在95%时,处于发射位置563 nm的荧光强度比在纯丙酮溶液里增加约338倍,呈现典型的AIE现象。晶体结构分析表明,共晶由较强的C—H…N氢键连接,具有较强的刚性,构型偏离共轭平面;此外,π-π作用力变弱(间距大于3.6 Å),重叠较小,抑制非辐射衰减,导致聚集态荧光增强。
图22 (a) 9-乙酰基蒽-1,2,4,5-四氰基苯共晶(AE)在不同水含量的丙酮溶液下的荧光发射光谱;(b) AE共晶在丙酮-水溶剂对中荧光强度与水体积分数关系图,插图是在365 nm紫外灯下拍摄样品聚集诱导现象照片[104]Fig. 22 (a) PL spectra of AE in acetone-H2O mixtures with different water fractions (fw); (b) plots of fluorescence intensity in acetone-H2O solutions, the inset in (b): photos of acetone-H2O mixtures (fw=0-95%) taken under illumination of a 365 nm UV lamp[104] |
2.2.1.3 其他类型AIE共晶
2.2.2 AIE共晶的应用
具有AIE性能的共晶既保留晶体的优良性能,同时具有AIE活性,是制备多功能材料的理想选择。众所周知,AIE材料已经广泛用于光电器件、化学传感、生物成像和检测等众多领域,随着AIE材料研究的深入和拓展,新开发的AIE共晶同样有着重要的实际应用潜力。
2.2.2.1 药物传输和释放
AIE效应可以跟踪细胞内药物载体的动态轨迹,但其释放行为尚未可知。而荧光共振能量转移(FRET)是一种用于监测成像系统可视化动态过程的方法[107]。通过纳米载体与药物之间的FRET效应来研究载体在细胞内的释放过程,当药物释放时,载体与载药之间的FRET效应消失,从而达到更好的治疗效果。鉴于此,Wang等[108]利用聚乙二醇(PEG)与α-环糊精(α-CD)的主客体相互作用,以具有AIE效应的超支化聚酰胺(H-PAMAM)为核心,成功制备一种同时具有AIE和FRET效应的超分子药物载体H-PAMAM-ss-mPEG/a-CD (HG/CD)负载抗癌药物阿霉素(DOX),进行药物载体的动态轨迹和药物释放过程的监测,证明超分子组装体系对肿瘤有良好的治疗作用,主客体自组装作为一种新型的药物传输技术,具有广阔的应用前景(图23 )。
2.2.2.2 生物成像
荧光探针是实现细胞成像可视化监测的有效技术,利用荧光和生物体的相互作用,研究者们开发出不同类型的探针,其中,AIE材料以其发射效率高、稳定性好等优势,在生物成像领域得到人们的青睐[109]。如图24 ,Liu等[110]报道一种具有近红外发射和双光子激发的AIE三元组装体系,由含有甲氧基和乙烯基吡啶盐修饰的TPE衍生物(TPE-2SP)、葫芦脲[8](CB[8])和β-环糊精修饰的透明质酸(HA-CD)三者组装而成,结合TPE的AIE特性,以及葫芦脲、环糊精的包容性,此外,合成的超分子体系具有双光子吸收特性,可以深入穿透组织,减少背景干扰,提高成像的信噪比,避免蛋白质在体内的吸收,成功应用于线粒体靶向成像,为生物成像的研究开辟了新的途径。
图24 A549细胞的共聚焦显微镜图:(a) 405 nm激发下的TPE 2SP/CB[8]/HA-CD ([TPE-2SP]=0.005×10-3 m)图;(b) 线粒体绿色荧光探针和(a, b)的合并图(c);A549细胞的双光子显微镜图:(d) 840 nm激发下的TPE 2SP/CB[8]/HA-CD ([TPE-2SP]=0.005×10-3 m)图;(e) 线粒体绿色荧光探针和(d, e)的合并图(f)[110]Fig. 24 CLSM images of A549 cells incubated with (a) TPE 2SP/CB[8]/HA-CD ([TPE-2SP]=0.005×10-3 m) excited at 405 nm. (b) Mito-Tracker Green and (c) the merged image of (a, b); two-photon microscopic images of A549 cells incubated with (d) TPE-2SP/CB[8]/HA-CD ([TPE-2SP]=0.005×10-3 m) excited at 840 nm. (e) Mito-Tracker Green and (f) the merged image of (d, e)[110] |
2.2.2.3 光学传感
图25 (a) 组装单元4-双(1-氰基-2-苯乙烯基)苯(A)和2,3,5,6-四氟-4-羟基(C)的分子结构式;(b) 共晶A-2C的压致变色图以及光谱图;(c) 共晶A-2C在酸碱蒸气熏蒸前后的光谱图[114]Fig. 25 (a) Molecular structures of co-crystal components: 4-bis(1-cyano-2-phenylethenyl)benzene (A) and 2,3,5,6-tetrafluoro-4-hydroxy-benzoic acid (C); (b) photographs and fluorescence spectra of the A-2C cocrystal as gradually increasing hydrostatic pressures; (c) fluorescence spectra for A-2C sample before (black lines) and after (red lines) fuming with HCl vapor (left) and NH3 vapor (right), respectively[114] |
不同于传统的发光共晶分子,在聚集态时会引起荧光猝灭,AIE共晶克服荧光猝灭问题,在光电器件、传感器、生物成像领域有广阔的应用前景。目前报道的AIE特性共晶,机理大部分集中在分子间非共价键作用力(氢键和电荷转移)或者J形堆积结构,抑制非辐射跃迁,其核心仍是分子内运动受限制。但是AIE现象的产生往往由多个因素协同作用,需要进一步去完善和深入研究共晶中AIE性能产生的机制,使其更加系统化,这对于研究者们进一步进行AIE共晶的设计和开发具有指导意义。
目前,与其他类型的AIE材料相比,具有AIE发光性能的共晶仍处于初步开发阶段,数量较少。另外,AIE共晶的应用主要集中在基础研究,对于实现其实际应用价值还有较长的路要走。因此,探索开发出更多新的AIE材料,完善其机制,并实现真正意义上的应用,是下一步需要努力的方向。
2.3 AIE聚合物
相比于AIE小分子和AIE共晶体系,AIE聚合物拥有其特有的优势,比如良好的功能复合性、加工性能及成膜性,使其能满足多样化的需求;此外,AIE聚合物分子间及分子内的相互作用,通常会赋予体系协同效应,展现出相比于小分子体系更优异甚至小分子体系所不具备的性能[115⇓~117]。自2003年第一例AIE聚合物被报道以来[118],相关领域得到了飞速发展,尤其是近五年,AIE聚合物在生物成像、传感及诊疗领域展现了蓬勃的生命力[119,120]。然而,相比于小分子AIE材料的长足发展,AIE聚合物的发展尚显不足,仍有许多科学问题亟待解决,同时也意味着这一领域发展潜力无穷。本部分着重介绍AIE聚合物在生物领域的研究进展。
2.3.1 生物成像
2.3.1.1 选择性成像
AIE聚合物的骨架及侧链通过设计及结构调控,针对不同细胞器、细胞或者组织结构及代谢差异,可以实现相应的选择性成像。其中细胞活性的检测及判断对于测试药物效果、指导治疗等应用有着非常重要的意义。针对不同状态的细胞及微生物细胞表面结构及电荷状态具有较大差异,Qin等[125]设计了一种新型AIE聚合物,该聚合物具有AIE性能的共轭骨架赋予的独特的光学性质,使其在生理环境中的聚集状态下具有高的发光效率及灵敏度;而引入寡聚(乙二醇)侧链则可以增加水溶性并减少非特异性相互作用,提高体系的选择性。如图26 所示,该聚合物在哺乳动物细胞(活细胞、凋亡细胞和死细胞)和微生物(细菌和真菌)等存在的情况下,能选择性地与活细胞结合。相同条件下,商业化活细胞染料钙黄绿素及该聚合物小分子模型化合物其选择性及生物兼容性不及该AIE聚合物。此外,成骨细胞维持着人体骨平衡,其增殖、分化能力与骨折愈合等过程密切相关,因此,对于成骨细胞分化程度的检测在骨科疾病研究中具有重要意义。Zhang和Qin等[126]通过侧链引入与钙离子具有强螯合作用的EDTA基团,制备了水溶性AIE共轭聚合物,实现了对成骨分化细胞的特异性成像,及成骨分化过程的动态、实时、可持续观察。值得指出的是,该聚合物在诱导成骨分化的第7天就能检测到荧光信号显著增强,而相同条件下,经典的茜素红染色需要第14天才能检测到成骨分化结节。该体系为细胞的成骨分化检测及相关过程的研究提供了新的解决策略。除了细胞层面的特异性成像,AIE聚合物也实现了细胞器层面的高选择性成像,Ma等[127]构建了系列侧链携带大量正电荷的超支化AIE聚合物,基于其强的细胞穿透能力实现了细胞核特异性成像。此外,在组织层面,Cai等[128]通过调控骨架结构成功研发了一种具有近红外发射的AIE共轭聚合物,通过在其表面包覆自然杀伤细胞(NK)膜制备了纳米仿生机器人系统用于穿越血脑屏障,最后利用NK细胞膜表面蛋白与肿瘤细胞膜表面受体的特异性识别富集到脑胶质瘤,为脑肿瘤及其他脑部疾病的诊疗提供了新的工具。
图26 活细胞选择性成像:(a) P(TPE-2EG)结构式;(b) 用双氧水处理后的HeLa细胞与P(TPE-2EG), M(TPE-2EG)及calcein AM共培养之后的CLSM成像图;(c) P(TPE-2EG)和calcein AM的细胞毒性实验[125]Fig. 26 Selective viable labeling. (a) Chemical structure of P(TPE-2EG); (b) CLSM images of HeLa cells incubated with P(TPE-2EG), M(TPE-2EG) and calcein AM after treatment with H2O2, followed by staining with Annexin V-FITC and PI; (c) Cell viability of HeLa cells incubated with different concentrations of P(TPE-2EG) and calcein AM[125] |
2.3.1.2 响应性成像
细胞代谢产物及生物大分子的变化往往与某些疾病有着密切的关系。因此,快速、高灵敏地检测细胞内/组织内的pH、温度、还原氧化环境及代谢产物等,能够为疾病诊断及治疗提供重要的参考信息[129⇓⇓~132]。肿瘤细胞内的CO2水平相对正常组织偏高,基于此,Wang等[133]同时将AIE基元和CO2响应基团引入聚合物侧链,制备了一种呼吸式嵌段聚合物用于检测胞内CO2代谢(图27 )。该聚合物由于其两亲性在水中会自组装成150 nm的囊泡,该囊泡用CO2处理之后,因为CO2响应基团的氨基部分被质子化导致其疏水性增加,上述囊泡会膨胀至200 nm并伴随着荧光增强;用N2继续处理上述体系,响应基团的去质子化会导致囊泡缩胀及体系荧光减弱,实验证明该过程具有良好的可重复性。基于此,该聚合物被用于检测细胞内的CO2水平,并且通过监测细胞内荧光强度实现了正常细胞及肿瘤细胞的区分,该体系有望发展成为一种有效的肿瘤诊断策略。细胞内的温度也可经常可以为病理研究及疾病诊断提供重要的依据。Saha等[21]合成了一种非传统发光AIE聚合物,该聚合物不含传统发光基元,且最低临界溶解温度(LSCT)与人体温度很接近,超过LSCT后随着温度升高荧光强度不断增加。基于聚合物该特性,实现了对细胞内温度的高效检测。此外,基于AIE聚合物还实现了对细胞内pH、ATP及其他离子的检测,并且大部分AIE聚合物在相关应用中展现出了比对应小分子更优异的性能。
图27 CO2响应性:(a) 嵌段聚合物对于CO2及N2响应示意图;(b) 细胞内CO2响应成像示意图;(c) 不同细胞系与嵌段聚合物的CLSM成像图[133]Fig. 27 CO2 responsiveness. (a) Schematic illustration of the response process of block polymer with CO2 and N2; (b) Schematic illustration of the mechanism for cell imaging; (c) CLSM images of 16HBE human bronchial epithelial cells, GES-1 human gastric mucosa epithelial cells, HeLa human cervical cancer cells, 5-8F nasopharyngeal cancer cells, and CNE1 nasopharyngeal cancer cells after incubation with the block polymer[133] |
2.3.2 生物诊疗
AIE聚合物其优异的光物理性能不仅能用于高灵敏、特异性生物成像,其结构多样性、功能可调及优异的光动力/光热性能,使其在药物/基因递送、疾病治疗等应用中具有良好的应用前景[134]。
2.3.2.1 光动力治疗
光动力治疗(PDT)由于其良好的时空可控性及不易产生耐药性,在肿瘤治疗中展现出独到的优势[135]。不同于传统光敏剂,AIE聚合物不仅具有良好的光照敏化产生活性氧(ROS)的能力,并且其光敏性能会随着聚集体的生成不断增强,目前已经应用于诊疗一体化中[136,137]。Liu等[138]基于不同微生物细胞壁结构差异,以不同微生物为模板利用铜催化的原子转移自由基聚合制备了系列AIE聚合物(图28 )。聚合物可通过用NaCl溶液从微生物表面洗涤收集获得,数均分子量测得为22 000左右。成像实验证明以革兰氏阳性菌为模板制备的AIE聚合物会选择性地与革兰氏阳性菌结合,并且这种选择性成像在其他类型微生物中同样适用。进一步的,该AIE聚合物具有良好的敏化产生ROS的能力,并能高效杀伤所结合的微生物且没有产生耐药性。基于PDT的微生物感染治疗方面,Qin等[139]构建了一种新型AIE共轭聚合物,该AIE共轭聚合物分子设计理念主要基于以下几点:通过在共轭聚合物骨架中引入D-π-A结构及TPE基团赋予所得聚合物在聚集态下超强的ROS生成能力,甚至是其小分子模型化合物和商业化光敏剂Ce 6的10倍以上;通过引入4-叠氮全氟代苯甲酸酯基元,使得聚合物在紫外光照下能够有效产生自由基;将季铵盐基团置于侧链的中间而非末端,使得该聚合物具有平衡的亲疏水性,能够特异性地与微生物结合。研究证明,该聚合物在微生物及哺乳动物细胞同时存在的情况下,能够选择性地只与微生物结合,且细胞毒性实验显示该聚合物对于哺乳动物细胞基本没有毒性;相同条件下,其小分子模型化合物与微生物及哺乳动物细胞均能高效结合,并且对哺乳动物细胞展现出较高的毒性,并在体外以及小动物模型上验证了其良好的抗菌性能。血液生化分析及组织切片研究证明该聚合物具有非常好的生物安全性。因此,基于该新型AIE共轭聚合物优异的抗菌性能和良好的生物兼容性,使其在微生物感染治疗等领域具有广阔的应用前景。由此可见,AIE聚合物在基于PDT的诊疗领域相比于小分子光敏剂及传统光敏材料,具有更好的治疗效果。
图28 以细菌为模板构建聚合物。(a) 模板聚合物合成路线;(b) 分别以BAK085和SGH10为模板构建模板聚合物示意图及对应的成像结果;(c) 以BAK085和SGH10为对应模板聚合物的平板杀菌实验结果[138]Fig. 28 Bacterium-templated polymer; (a) Synthetic route to templated polymer; (b) Schematic illustration of the templated polymer grown in a suspension of K. pneumoniae (BAK085 and SGH10), and the templated polymers were collected for BAK085 and SGH10 CLSM imaging; (c) Plate photographs of the colonies formed of BAK085 and SGH10 on LB agar in the absence or presence of white light irradiation after incubation with templated polymers or mismatched polymers[138] |
2.3.2.2 原位诊疗
生理环境下原位制备AIE聚合物并实现其诊疗功能在诊疗领域得到了越来越多的关注[140]。Qin等[141]构建了一个活细胞内自发进行的聚合反应,并制备了分子量为7300的聚合物。如图29 a所示,羰基活化的炔类单体可以自发地与含TPE的双胺单体在细胞内进行反应,实现了“点亮”型的细胞成像。值得指出的是该细胞内聚合可通过原位破坏微管蛋白和肌动蛋白等结构实现细胞的杀伤。因此,基于自发的炔-胺点击聚合构筑了人工的“细胞内的合成实验室”(lab-in-cell),通过一步法实现原位聚合并实现了对肿瘤细胞的杀伤,是一种新型的“反应疗法”,在生物标记及抗肿瘤等方面有着广阔的应用前景。Xia和Lou等[142]基于过氧化氢及过氧化物酶双响应的AIE探针(TT),在验证部位原位构建了AIE寡聚物。如图29 b所示,在没有过氧化氢及过氧化物酶存在的情况下,TT探针在水相中具有高度的分散性而不发光;当过氧化氢及过氧化物酶存在时,TT探针会在其催化下原位聚合得到相应的寡聚物并发射强烈的荧光信号。该细胞内的聚合反应将对细胞线粒体产生损伤并最终导致细胞凋亡。实验证明,TT探针可以用于细胞内的H2O2及过氧化物酶的特异性检测,并且基于正常细胞、炎症细胞和肿瘤细胞内过氧化氢及过氧化物酶水平差异,最终实现了对正常细胞活性几乎没有影响的情况下仅对炎症细胞的选择性杀伤。因此,该探针在炎症疾病的诊断和治疗方面表现出极大的潜力。原位构建具有诊疗效果的AIE聚合物,在生物诊疗领域具有巨大的发展前景。
图29 (a) 基于炔胺点击聚合的细胞内聚合示意图[141];(b) 细胞内聚合。H2O2存在情况下过氧物酶催化的TT聚合;基于TT的细胞内聚合用于选择性成像及抑制示意图[142]Fig. 29 (a) Illustration of the intracellular spontaneous amino-yne click polymerization, and synthetic route to poly(β-aminoacrylate) (color online)[141]; (b) Intracellular polymerization. Peroxidase-catalyzed oligomerization of TT in the presence of H2O2; selective imaging and inhibition of inflammatory cells after incubation of cocultured cells with TT[142] |
2.3.2.3 药物/核酸递送
除了AIE本身具有的治疗效果,AIE聚合物经常被用作递送药物分子、蛋白质及核酸等具有治疗效果的载体,基于肿瘤微环境响应等因素实现了上述分子的有效释放,最终实现递送示踪及疾病治疗[143,144]。Li等[145]构建了一种可光激活的AIE聚合物前药用于肿瘤的联合治疗。如图30 所示,通过共价连接的方式在聚合物骨架中引入TPE及顺铂前药结构制备了一种对光照及还原物质响应的AIE聚合物,他们通过用该聚合物包载阿霉素(DOX)发展了一种功能性纳米材料。因为DOX的ACQ效应及TPE与DOX之间的FRET,纳米粒子在其完整的情况下几乎检测不到任何荧光信号;但是当纳米粒子光照以后导致聚合物骨架断裂后,此时Pt(Ⅳ)被激活为具有治疗效果的Pt(Ⅱ),TPE和DOX分别从聚合物骨架及纳米粒子中游离出来并发射出明亮的荧光。所以,基于上述纳米材料实现了对肿瘤细胞光激活的Pt(Ⅱ)及DOX联合治疗,并且药物释放过程可以通过检测TPE及DOX荧光信号变化实现动态监测。Loh等[146]发展了一种具有AIE性能的聚合物并基于此制备了一种热敏水凝胶,通过肿瘤部位原位注射水凝胶实现了肿瘤部位高效药物释放。除了药物递送,Liu等[147]也发展了一种富含正电荷的光激活AIE聚合物用于DNA的负载及递送,并实现了肿瘤细胞的高效杀伤。由此可见,AIE聚合物在生物诊疗领域具有广阔的应用前景。
2.4 AIE金属有机配合物
因其高的固态发光效率,AIE材料已经在发光材料领域得到广泛应用。但目前该领域的研究仍集中于有机小分子,面临合成困难、发光寿命短、需短波长激发等挑战。与有机小分子相比,过渡金属配合物金属中心重原子效应促进发光三重态的形成,辅以π共轭配体,具有更为丰富的光物理性质,被认为是构建具有长寿命发光(毫秒级别)、大斯托克位移(数百纳米)以及高量子产率的新型发光功能材料的有效策略[148⇓~150]。在这其中,以铜、银、金等币金属为基础构筑的具有原子精确结构的团簇分子常表现出长波长和长寿命的特性,其也被称为币金属团簇。具有AIE性能的币金属团簇的发现,显著提升了此类化合物的发光量子产率,大大拓展了其应用前景,成为研究者们关注的热点。此外,随着超分子化学和配位化学的快速发展,配位导向自组装也被用于构建形状和尺寸可控的超分子金属有机配合物。本部分主要概述了具有AIE特性的钌(Ⅱ)、铱(Ⅲ)配合物,具有AIE特性的货币金属团簇以及具有AIE特性的超分子金属有机配合物。
2.4.1 具有聚集诱导发光的钌(Ⅱ)和铱(Ⅲ)配合物
2.4.1.1 AIE金属配合物发光机理及其设计
随着对有机分子聚集诱导发光研究的不断深入,其机理经历了从分子内旋转受限到分子内运动受限的一步步发展。RIM同样被应用于部分解释金属配合物AIE现象,但由于金属配合物的激发态比有机小分子更为丰富,这一领域尚处于起步阶段。以八面体构型的钌(Ⅱ)、铱(Ⅲ)配合物为例,其常见的激发态包括1LC(Ligand centered)、1ILCT(Intra-ligand charge transfer)、1MLCT(Metal to ligand charge transfer)、1LLCT(Ligand to ligand charge transfer)等单重态及3MC(Metal centered)、3ILCT、3MLCT、3LLCT、3LMCT(Ligand to metal charge transfer)等三重态[151]。除此之外,具有平面构型的铂(Ⅱ)和钯(Ⅱ)等配合物发生聚集时还往往伴随MMLCT(Metal-metal-to-ligand charge transfer)激发态的出现[152⇓⇓⇓~156]。
2.4.1.2 AIE钌(Ⅱ)配合物
具有AIE性质的钌(Ⅱ)配合物鲜有报道。2010年,Chao等[160]报道了Ru(Ⅱ)配合物[Ru(bpy)2(pzta)]2+(pzta=6-(pyrazin-2-yl)-1,3,5-triazine-2,4-diamine,bpy=2,2'-bipyridine,配合物56,图31 )。这是首例具有AIE性质的钌(Ⅱ)配合物。在乙腈溶液中,配合物56具有非常弱的发光(ФF=0.1%),而含有80%不良溶剂甲苯的乙腈/甲苯混合溶液中,配合物呈现肉眼可见的明亮红色发光。动态光散射结果表明,在此环境下,配合物自发聚集成为纳米颗粒,其平均粒径为736.2 nm。X射线单晶衍射证实在聚集时,主配体pzta吡嗪环上未与金属中心配位的N原子通过氢键与另一分子联吡啶上的H原子相连接,沿α轴形成一个新的四边形棱柱体。有趣的是,将主配体pzta中吡嗪环更换为吡啶环、喹啉环或异喹啉环,使其无法形成分子间氢键,则配合物的AIE性质也随之消失[161]。这在某一侧面上表明分子间氢键的形成抑制了非辐射跃迁途径,对配合物的AIE性质具有促进作用。
2018年,Khatua等[162]报道了Ru(Ⅱ)配合物[Ru(phen)2(4,7-dichloro-phen)]2+(配合物57,phen=1,10-phenanthroline,图31 ),其在乙腈溶液中有弱发射(ФF=1.1%),而增加乙腈-水混合体系中水的含量可显著增强其发光。当混合体系中水含量为90%时,配合物57的量子产率提高了约2.5倍(ФF=3.4%),而动态光散射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及原子力显微镜均表明配合物57在该条件下聚集形成纳米颗粒,其Zeta电位平均粒径为372.4 nm。X射线衍射表明其聚集体中存在π-π相互作用、分子间氢键及卤键。又由于其可以以卤键与细胞核仁核糖体RNA连接并聚集发光,实现了核仁核糖体RNA的原位示踪。
2020年,Deng、Zou、Yang等[163]合作报道了两个具有AIE性质的Ru(Ⅱ)配合物[Ru(bpy)2(Hphbtz)]+和[Ru(phen)2(Hphbtz)]+(配合物58,59,Hphbtz=1,3-di(2H-tetrazol-5-yl)benzene,图31 )。他们检测了配合物58,59在不同比例水-四氢呋喃混合溶剂中的发光,其发光强度随着水的比例增加而显著增强。动态光散射及透射电子显微镜均证明配合物在水-四氢呋喃混合溶剂中的聚集。由于他们未提供相关证据,配合物58,59的聚集机制尚不明确;但由于四氮唑基团的存在,氢键或许在其中发挥一定作用。配合物58,59聚集形成的纳米颗粒可穿透细胞膜进入肿瘤细胞,在光照后产生大量ROS物质,实现抗肿瘤效果。
2.4.1.3 AIE铱(Ⅲ)配合物
2008年,Huang等[164]报道了配合物Ir(ppy)2(DBM)和Ir(ppy)2(SB)(配合物60,61,DBM=1,3-diphenyl-1,3-propanedione,SB=2-(naphthalen-1-yliminomethyl)-phenol,ppy=2-phenylpyridine,图32 )在乙腈-水混合溶剂以及固态时呈现AIE性质。通过晶体结构及DFT计算,他们认为聚集时主配体苯环与辅助配体ppy形成分子间π-π堆积,降低了ppy配体的π*轨道能量,使得3MLLCT(Metal-to-ligand-ligand charge transfer)成为最低发射能态,即其聚集发光来源于环金属辅助配体形成的激基缔合物。这一工作发表后不久,Park等[165]对此机制提出质疑,认为AIE的机理必须来源于RIM。为此他们合成与配合物61结构相似的配合物62~65(图32 ),其中配合物64,65的辅助配体为dfppy(dfppy=2-(2,4-difluoro-phenyl)pyridine)。Park等认为,若形成辅助配体激基缔合物确实是配合物60,61的聚集发光机制,具有相同辅助配体的配合物62和63(或者64和65)的发射波长应该相同。但光谱结果显示辅助配体替换为dfppy使得配合物64和65的固态磷光发生红移,表明发光改变与辅助配体的结构直接相关。此外,配合物在冷冻的CHCl3溶剂中也具有强发射,其磷光强度在溶剂熔点附近迅速降低且可逆。基于这些结果,Park等认为聚集或低温下,N-芳基环键的旋转受限抑制了快速非辐射衰变才是这类配合物AIE的机制。为了回应这一质疑,他们随后将配体中N-芳基杂环替换为羟基苯乙酮衍生物(配合物66~68,图32 )[166],通过固态光谱及低温光谱表征了配合物66~68的AIE性质。由于单分子中单键转动已经受共轭限制,聚集或低温限制单键旋转这一理论无法解释其聚集发光。晶体结构证实了66~68分子间的π-π堆积,表明π-π堆积诱导的激基缔合物才是其聚集发光来源。这一知名的争论表明AIE金属配合物发光机理仍有待进一步阐明。
虽然RIM机理无法解释配合物60,61及66~68的聚集发光,但其仍然成功应用于其他AIE铱(Ⅲ)配合物的设计。Acharya和Laskar等将三苯基膦及其衍生物引入铱(Ⅲ)配合物(配合物69~80,图33 ), 构建了系列具有具有AIE性质的铱(Ⅲ)配合物,并成功应用于发光材料[167⇓~169]、小分子检测(CO2、H+、OH-、Hg2+等)[168,170⇓~172]、生物成像[173⇓~175]等领域。晶体结构的分子堆积分析以及DFT计算结果揭示了RIM作为这些配合物AIE活性的主要来源:即聚集时三苯基膦苯环与相邻分子的刚性联吡啶衍生物配体存在分子间C—H…π相互作用,严重限制了这些三苯基膦苯环的内旋[176]。
Chao等[157]则通过在配合物末端引入三苯胺结构,发展了系列AIE-铱(Ⅲ)配合物。与商用细胞器染料共孵育、ICP-MS等实验结果表明,这系列配合物可跨越细胞膜并选择性地聚集在线粒体上,从而点亮线粒体(配合物98,图36 )。通过调整辅助配体,配合物99聚集后光照时可产生大量单线态氧,是优异的线粒体靶向光动力诊疗试剂(图36 )[158]。此外,他们还通过在咪唑环上引入可自由旋转的苯环,构建了两例具有AIE活性的线粒体靶向光敏剂(配合物100,图36 )[185]。除了上述例子,还有不少AIE活性铱(Ⅲ)配合物被报道并部分应用于发光二极管、小分子检测、疾病诊疗等领域[186⇓⇓⇓⇓⇓⇓~193]。
2.4.2 货币金属团簇
Xie等[196]从Au(Ⅰ)-硫醇聚合物出发,发现该聚合物分散在水中不发光,然而其可以被溶剂或者阳离子诱导聚集产生较强的发光,并且其发光强度和颜色与聚集程度相关。2012年,第一个具有AIE特征的Au(Ⅰ)-硫醇化合物被报道,为币金属纳米团簇的发光起源提供了新的见解。当乙醇体积分数小于75%时,该Au(Ⅰ)-硫醇化合物溶液不发光;随着乙醇体积分数的增加,化合物发生聚集,溶液荧光逐渐增强(图37 )。随着聚集程度的变化,其发光波长从630 nm蓝移至565 nm,这是由于在聚集过程中,化合物间亲金属相互作用比化合物内亲金属作用占据了更加主导的地位。
图37 (a) 溶剂诱导AIE性质的示意图。(b) Au(Ⅰ)-硫醇聚合物在不同比例水和乙醇混合溶剂的荧光照片。Au(Ⅰ)-硫醇聚合物在不同体积分数的乙醇中紫外-可见吸收光谱(c)和发射光谱(d)[196]Fig. 37 (a) Schematic of solvent-induced AIE properties of oligomeric gold-thiolate complexes. (b) Photos of gold-thiolate complexes in mixed solvents with different fractions of water under visible and UV light. (c) UV-vis absorption and (d) emission spectra of gold-thiolate complexes in mixed solvents with different fractions of ethanol[196] |
随后,Xie等[197]以一系列谷胱甘肽(GSH)保护的水溶性的金纳米团簇([Au10SR10]、[Au15SR13]、[Au18SR14]和[Au25SR18]-)为模型,揭示了表面Au(Ⅰ)-硫醇单元对于金纳米团簇的影响。研究结果表明, 通过改变Au(Ⅰ)-硫醇单元的长度,金纳米团簇的发射波长范围可以实现从可见区到近红外Ⅱ区的变化(图38 )。另外,通过减少团簇表面Au(Ⅰ)-硫醇单元的长度,金纳米团簇发光可以发生从有AIE特性的磷光到Au(0)内核诱导的荧光变化。
Wang等[198,199]也是较早研究具有AIE活性的金属纳米团簇的研究人员之一。他们利用功能性有机配体如谷胱甘肽、青霉胺成功制备了一系列具有较好发光和稳定性的AIE铜纳米团簇。2013年,他们以不发光的纳米晶为原料,制备了水溶性好、稳定性高的发光纳米团簇,表现出典型的AIE特征。该团簇在聚集态具有较强的发光强度,在溶液态发光较弱。机理研究表明,该纳米铜团簇的AIE效应来源于聚集态下分子内运动受限机制[198]。随后,他们又成功制备得到了另一发光铜纳米团簇,该团簇的荧光强度随pH变化从5.0到6.2成线性下降趋势,当pH值为4.0时,其发光强度是pH值为6.2时的100倍左右,因此被成功用于pH检测(图39 )。同时,该铜纳米团簇的荧光可被H2O2有效猝灭,被成功用于生物传感[199]。
图39 (a) 铜纳米团簇溶液的发射光谱(pH值为2.66);(b) pH值对铜纳米团簇发射强度的影响;(c) 铜纳米团簇在pH值3.1和7.1交替条件下循环切换时的发射强度[199]Fig. 39 (a) Emission spectra of the aqueous copper cluster aggregates (pH 2.66); (b) Plots of emission intensity of the copper clusters against pH values; (c) Emission intensity upon the cyclic switching of the copper clusters under alternating conditions of pH values of 3.1 and 7.1[199] |
利用配体的AIE性能赋予团簇AIE特性是构建具有AIE活性的金属纳米团簇的一种简单且有效的方法。2019年,Zang等[200]利用含经典AIE基团TPE结构的3,5-二甲基-4-(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苄基)-1H-吡唑(DTBP)作为外围保护配体,成功合成了具有AIE活性的环状Au3、Ag3、Cu3团簇分子。DTBP配体在溶解性好的溶剂中几乎没有荧光,但随着水的加入其表现为较强的蓝绿色荧光,表明该配体具有AIE性质。以其中的Ag3团簇为例,在无荧光的Ag3团簇四氢呋喃溶液中加入不良溶剂异丙醇,团簇表现出逐渐增强的荧光(图40 )。此外,Ag3团簇在晶态同样呈现出相似的蓝绿荧光发射,量子产率为12%。机理研究表明,其较强的聚集态或晶态发光来源于分子内运动受限过程抑制了激子的非辐射跃迁。
结晶诱导发光(CIE)属于AIE的一衍生现象。2017年,Zhu等[201]报道了第一例具有CIE性质的双金属纳米团簇Au4Ag13(DPPM)3(SR)9。该团簇整体是一个类风扇形的结构(图41 ),晶态下表现出较强的红色发光,与非晶态的微弱发光以及溶液态下的不发光形成了显著的对比。结构分析表明,该结构紧凑的C—H…π相互作用有助于限制分子内的振动和旋转,从而可以有效地增强晶态的辐射跃迁,导致其表现出较强的发光。由于氢键、π…π堆积和阳离子…π相互作用等非共价相互作用是普遍存在的,且容易通过改变化学环境来实现调控,未来有望开发出更多具有CIE性质的纳米团簇,从而进一步探究其结构与光学性质之间的关系。
2018年,Zhu等[202]又提出了一种新颖的金属纳米团簇AIE机理:通过限制团簇中配体的解离-聚集过程,诱导光致发光。以Ag29(BDT)12(PPh3)4纳米团簇为例,该纳米团簇在溶液中是几乎没有荧光的,但在晶态或固态下表现出明显的红色发光。通过将三苯基膦配体加入到Ag29(BDT)12(PPh3)4纳米团簇的N,N-二甲基甲酰胺溶液中,限制了团簇中三苯基膦配体的解离-聚集过程,溶液发光强度明显增强,发光量子产率从0.9%提高到11.7%(图42 )。
图42 (a) 三苯基膦配体解离-聚集过程中团簇发光、量子产率的变化;(b) 加入不同摩尔比的三苯基膦该团簇溶液的荧光照片[202]Fig. 42 (a) Enhancement of emission intensity and quantum yield induced by the restriction of the ligand dissociation-aggregation process; (b) Photos of Ag29(BDT)12(PPh3)4 upon the addition of different molar ratios of the ligand in solution under UV light[202] |
2015年,Zhang等[203]利用十二硫醇为有机配体,制备得到了具有AIE特性的铜纳米团簇。该团簇通过形成致密有序的组装体,在波长490 nm处表现出较强的发射,发光量子效率为6.5%。通过改变自组装体结构由致密的带状结构到松散的片状结构,其发光强度逐渐降低,波长由489 nm红移到547 nm。该结果表明,铜纳米团簇组装体发光颜色会受到自组装策略的影响(图43 a)。机理研究表明,自组装诱导的铜纳米团簇发光增强可以归因于配体与相邻团簇间相互作用的改善,减少非辐射跃迁的能量,使辐射跃迁成为主要的途径。随后,Zhang等[204]进一步利用乙醇调节铜纳米团簇的自组装过程,揭示了金属缺陷对于团簇AIE性能的重要贡献。在乙醇的存在下,铜纳米团簇迅速组装成超薄的纳米片结构,促进了丰富的金属缺陷表面的形成(图43 b~d)。丰富的金属缺陷表面增加了纳米片中Cu(Ⅰ)与Cu(0)的比值,影响了配体到金属-金属的电荷转移(Ligand-to-metal-metal charge transfer,LMMCT)过程,促进了激子的辐射跃迁。
图43 (a) 铜纳米团簇的示意图及相应的透射电子显微镜图[203];(b) 铜纳米团簇自组装纳米片的高分辨透射电子显微镜图;(c) 纳米片的卡通图像;(d) 纳米片的激发态弛豫动力学示意图[204]Fig. 43 (a) Schematic diagram and corresponding TEM images of copper cluster assemblies;(b) high magnification TEM images of copper clusters self-assembly nanosheets;(c) cartoon images of the nanosheets;(d) schematic diagram of the excited state relaxation dynamics of the copper clusters self-assembly nanosheets |
有趣的是,一些具有AIE特性的金属纳米团簇可以实现不同状态下荧光到磷光的转变[205,206]。Sun等[206]制备了一种新颖的水溶性纳米团簇(NH4)9[Ag9(mba)9],室温下该团簇水溶液表现出相对较低的发光强度,肉眼几乎观察不到。然而,在冷冻态下该团簇表现出较强的黄色荧光。当将不良溶剂乙醇加入到该团簇水溶液中后,溶液发生凝胶化反应,溶液中的团簇发生聚集,自组装形成高度有序的纤维状结构,伴随着发光的明显增强。研究表明,该增强的发光归属为磷光。也就是说,在聚集过程中,(NH4)9[Ag9(mba)9]自组装成纤维状结构,表现出明显的AIE效应,并且伴随着荧光向磷光的转变,发光寿命增加了144倍(图44 )。
具有AIE特性的手性币金属团簇还可以表现出优异的圆偏振发光(Circularly polarized luminescence,CPL)特性。受到有机AIE体系螺旋桨状设计思路的启发,Zang等[207]报道了一对螺旋桨状的手性三核铜簇,表现出典型的AIE特性。该铜簇利用轴手性的R/S-2,2'-双(二苯基膦)-1,1'-联萘(R/S-BINAP)为配体,叔丁硫铜为铜源,通过简单的一锅法合成得到。其中R/S-BINAP配体围绕金属团簇内核螺旋排列,形成独特的三叶扇螺旋结构(图45 a)。该团簇在二甲基亚砜和水体系中具有明显的AIE特性,当水体积分数低于40%时无光致发光,当水体积分数高于50%时,605 nm处的发射峰出现并随水含量的增加不断增强(图45 b,c)。研究表明该团簇的发光源自于金属簇中心(MCC)机制和金属到配体的电荷转移(3MLCT)机制,这两个机制可以通过限制分子内旋转进行有效地调节,从而改变团簇的发光。由于该团簇的手性结构以及AIE特性,其在聚集态时表现出优异的圆偏振发光性质,发光各向异性因子达到2×10-2。此外,该团簇还表现出良好的光致ROS生成能力,可作为PDT中的光敏剂加以应用。
图45 (a) 手性三核铜簇的合成路线及结构;(b) 手性团簇在不同比例二甲基亚砜和水体系中的发射光谱;(c) 手性团簇在605 nm波长处的发射强度与不同比例溶剂体系的关系[207]Fig. 45 (a) Synthetic route and structure of copper clusters;(b) emission spectra of copper clusters in mixed solvents with different fractions of water;(c) emission intensity of copper clusters at 605 nm as a function of water fraction[207] |
2020年,Zang等[208]利用一对多苯环的手性炔基配体(R/S)-2-二苯基-2-羟基甲基吡咯烷酮-1-丙炔(R/S-DPM),成功得到并表征了一对原子精确的手性炔铜簇[Cu14(R/S-DPM)8](PF6)6(R/S-Cu14)。该团簇表现出明显的AIE特性,在溶液中表现出镜像对称的CD信号,但无光致发光现象。实验表明,不良溶剂的加入可诱导手性炔铜簇的聚集,表现出亮红色发光和CPL信号(图46 )。随着不良溶剂含量的增加,CPL信号强度随发光强度的增强而逐渐增加,但其发光各向异性因子并没有发生明显的变化,其值为1.0×10-2。由于AIE特性和良好的生物相容性,该团簇材料被成功用于生物成像。研究表明,静电相互作用、C—H…π、C—H…F与O—H…F氢键相互作用会在一定程度上限制配体分子的旋转和振动,增强聚集态和结晶态下的辐射跃迁,表明该对映体团簇的AIE性质来源于限制分子内运动机制。
此外,Zang等[209]还利用手性噻唑硫酮类配体,制备得到了两对具有AIE性质的金纳米团簇对映体L/D-[Au4(C9H8S2N)4]和L/D-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n。L/D-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n在N,N-二甲基甲酰胺稀溶液中无荧光,随着不良溶剂水含量的增加,表现出明显的发光增强现象(图47 )。当水体积分数为60%时,L/D-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n表现出明亮的绿色发光,其发光量子效率为41.4%。此外,L/D-[Au4(C9H8S2N)4]也表现出典型的AIE性质,其随着不良溶剂的加入,表现出蓝色发光,最大发光量子效率为14.4%。研究表明,团簇间亲金属相互作用是AIE性质的一种重要驱动力,也是L/D-[Au4(C9H8S2N)4]和L/D-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n之间聚集态和晶态团簇的发射波长及发光量子效率显著差异的主要原因。这些币金属团簇由于其特征的CPL性能(发光各向异性因子7.0×10-3),被用来成功构筑了圆偏振有机发光二极管。
图47 L-[Au4(C9H8S2N)4] (a)和(b) L-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n (b)的堆积结构。插图为紫外灯下L-[Au4(C9H8S2N)4]晶体和L-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n的数码照片。(c) 可见光和紫外光下L-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n在不同体积分数水中的数码照片[209]Fig. 47 (a) Stacking structure of (a) L-[Au4(C9H8S2N)4] and (b) L-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n. Insets: luminescent photograph of the single crystals. (c) Photos of L-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n in mixed solvents with different fractions of water under visible and UV light[209] |
与单金属团簇相似,一些双金属团簇也表现出典型的AIE性质,其中包含铜、银、金在内的亲金属相互作用在团簇结构的稳定中发挥着重要的作用,并赋予其结构依赖的优异的光学性能[210⇓⇓~213]。此外,由于分子间或分子内非共价相互作用容易受到外界环境的影响,有利于调节团簇的光学性能。Chou等[213]制备了双金属纳米团簇[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]2和[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]n。由于团簇中金属-金属键的形成和解离,其在不同溶剂中表现不同的结构,导致发光强度发生了明显的变化。[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]2由两个近乎平面的Au2Cu2单元构成,[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]n是由两种类型的Au4Cu4单元构成的聚合物,其中一种Au4Cu4单元具有类似于[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]2的结构。[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]n的发光量子效率为25%,而[Au2Cu2(C2OHC5H8)4]2发光量子效率仅为10%。理论计算表明该团簇发射强度的增加与金属-金属键的增加有密切关系。紧接着,Chou等[212]利用简单的一锅法又制备得到了具有AIE性质的双金属纳米团簇。晶态下,Au2Cu2(C2OC13H11)4单元聚集成一维链状结构,每个Au2Cu2单元间都具有较强的金-铜键。此外,除了亲金属相互作用和π-C≡C—Cu的配位外,炔基配体间的O—H…O氢键相互作用对于稳定链状结构也具有重要作用。该结构在晶态下表现出极高的发光量子效率(95%),在溶液中几乎没有荧光,体现其AIE性质(图48 )。机理研究表明,在溶液态,一维链状结构中亲金属相互作用被破坏,分解得到Au2Cu2(C2OC13H11)4单元;在晶态下,由亲金属相互作用和非共价相互作用驱动得到一维链状聚合物,使得团簇的发光强度显著增加。通过微调炔基取代基,如使用位阻较小的异丙基炔基配体,也可使该结构发射强度显著降低。因此,在该体系中,亲金属相互作用驱动的聚集结构的多样性是调控发光性能的关键。
Fig. 48 L-[Au4(C9H8S2N)4] (a)和L-{[Au4(C6H10S2N)4]3}n (b)的堆积结构[213] |
近年来,具有AIE特性的金属团簇已成为了极为重要的一类发光纳米团簇。如何高效地制备具有AIE特性的金属纳米团簇,深入了解其结构与性能之间的关系,仍然是一个重大的挑战。此外,在金属纳米团簇领域中,除已知的机理外,是否还存在更多引发AIE性能的机理?解决这些问题不仅可以为设计合成更多具有强发光量子效率的团簇提供实用的策略,而且有助于促进AIE效应在纳米团簇领域的应用。
2.4.3 具有AIE性质的超分子金属有机配合物
近几十年来,在超分子化学和配位化学的快速发展过程中,配位导向自组装已被证明是构建形状和尺寸可控的超分子金属有机配合物(Supramolecular coordination complexes, SCCs)的有效策略[214⇓~216]。这种策略通过结合一系列不同的有机配体和互补的金属盐,构筑了多种超分子金属有机配合物,包括金属有机大环(Metallacycles)、金属有机笼(Metallacages)和金属有机骨架(Metal-organic frameworks, MOFs)[217⇓⇓⇓⇓~222]。重要的是,基于超分子金属有机配合物平台构建的功能材料在合成设计、功能集成和应用等方面都呈现出一定优势。
在此基础之上,人们自然地将AIE与配位导向自组装两个领域进行交叉融入,构筑具有AIE性质的超分子金属有机配合物(AIE active supramolecular coordination complexes)。近十年来,国内外众多研究组成功开发了一系列新型AIE性质的超分子金属有机配合物[223⇓⇓~226]。TPE由于具有合成简便且易修饰等优点,在构建具有AIE性质的金属有机配合物体系中被广泛应用[227⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓~240]。在此,本小节回顾了基于TPE的、具有AIE性质的金属有机配合物构筑及性质研究的最新进展,包括具有AIE性质的金属有机大环、金属有机笼和金属有机框架,对其合成、性质以及在荧光传感、细胞成像与治疗诊断学、发光材料等方面的应用进行了综述。由于篇幅限制,本小节仅选择一些代表性的研究工作进行总结。
2.4.3.1 具有AIE性质的金属有机大环
金属有机大环通常具有离散的、精准的二维(2D)超分子结构,可以为各种官能团(尤其是有机荧光团)的精确定位提供非常明确的支撑骨架[241,242]。此外,由于在金属-配体配位键形成后金属大环骨架会带正电荷,可能与带负电荷的化合物发生静电相互作用[243]。利用这些特性,Yang等[244]在2015年报道了首例TPE官能团化的六边形金属有机大环101,并实现了对抗凝血药物肝素钠(heparin)的选择性检测(图49 )。金属有机大环101通过120°含TPE的给体和120°含铂金属盐受体自组装制备而成。值得注意的是,金属有机大环101的核心骨架中有6个正电荷。当将带负电荷的肝素钠加入金属有机大环101的丙酮和水的混合溶剂中时,荧光发射强度随着肝素钠含量的提高而增强(图49 b)。这些结果表明金属有机大环101和肝素钠在静电相互作用的诱导下发生聚集,从而限制了TPE单元的分子内运动。此外,通过原子力显微镜(AFM)研究金属有机大环101和肝素钠混合物的形貌,AFM图像显示其混合物为串珠状的链状形貌,高度分布范围在1.0~4.0 nm之间(图49 c)。这一结果进一步支持了金属有机大环101和肝素钠在静电相互作用下的络合。有趣的是,金属有机大环101可以选择性地识别肝素钠。例如,当在金属有机大环101溶液中加入其他生物分子,如蔗糖、葡萄糖、乳糖、人血清白蛋白和牛血清白蛋白等时,并没有观察到发射强度的明显变化。
图49 (a) 金属有机大环101和肝素钠可能的结合模式示意图;(b) 金属有机大环101中加入肝素钠的荧光发射光谱; (c) 金属有机大环101肝素钠复合物的AFM图[244]Fig. 49 (a) Schematic showing the possible binding mode of metallacycle 101 and heparin; (b) emission spectral changes of metallacycle 101 with the addition of heparin; (c) AFM images of a mixture of metallacycle 101 and heparin[244] |
随后,Stang和Niu等[245]报道了一种基于TPE单元的金属有机大环102,它可以通过多重静电相互作用与烟草花叶病毒(TMV)构筑金属有机生物杂化材料(图50 )。通过简单地将TMV的水溶液与金属有机大环102的DMSO溶液混合,体系出现显著的荧光增强现象。透射电子显微镜(TEM)研究表明,TMV从一维棒状形貌转变为三维微米尺度的束状超结构,这是由于加入金属有机大环102后导致TMV紧密排列形成的。该结果表明,金属有机大环102可作为“分子胶水”将单分散的TMV通过多重静电相互作用黏连在一起。此外,利用配位键的动态可逆的特性,金属有机大环102和TMV杂化复合物加入四丁基溴化铵(TBAB),金属有机大环发生了解组装,进而实现TMV的可控释放。这些结果表明,金属有机大环102不仅可以用作基于AIE的荧光传感器来探测逐级自组装过程,还可以用于制备刺激响应型金属有机生物杂化材料。
2015年,Stang、Huang和Yan等[246]设计合成了120°含有TPE单元的双吡啶配体103,随后通过配位导向自组装成功构建了一系列具有不同形状和尺寸的新型多TPE金属有机大环109~113(图51 )。对其AIE性质的研究表明,随着二氯甲烷/己烷混合溶液中己烷含量的增加,金属有机大环109~113均显示出显著的荧光增强现象,而相同条件下,配体103无AIE性质。进一步研究则表明,这些多TPE金属有机大环的发光特性与其结构因素密切相关,如尺寸、形状、TPE的位置以及相互之间的距离等。例如,在聚集状态下,含有三个TPE六边形金属有机大环101和110的荧光量子产率值高于含有六个TPE六边形金属有机大环112和113。除结构因素外,抗衡阴离子对具有AIE性质的金属有机大环的光物理性质也有重要影响。例如,在该研究工作中,金属有机大环的荧光量子产率大小在溶液和聚集态均遵循 > OTf- > 。
2019年,Li和Yang等[247]报道了一类具有可调荧光发射特性的玫瑰花状金属有机组装体。他们首先设计并合成了三代包含多个三联吡啶(TPY)单元的TPE配体114~116,当这些配体与Cd2+组装时,能以高产率获得三代玫瑰花环状组装体117、118和119(图52 )。需要指出的是,当Cd2+与配体114组装时,体系形成了三聚体、四聚体、五聚体和六聚体大环的混合物,而非单一产物(图52 a)。然而,配体115或116与Cd2+的配位导向自组装则分别形成了双层六聚体118和三层七聚体119(图52 b和52c)。这可能是因为多三联吡啶单元可以通过多价相互作用在自组装中提供更多几何约束,从而导致形成最有利的热力学产物。有趣的是,玫瑰花环状的组装体显示出一些单体不具备的光物理特性,例如,双层六聚体118在乙腈/水混合溶剂中表现出有趣的室温白光发射。
最近,Yang等[248]报道了一例液晶功能化AIE金属有机大环,并成功实现了全息图像存储的应用研究(图53 )。他们设计并合成了一类新型的120°含TPE基元的双吡啶配体120,该吡啶配体修饰树枝状偏氟联苯型液晶基元。利用配体120与金属盐受体121或122的配位导向自组装,实现了菱形金属有机大环123和六边形金属有机大环124的构筑(图53 a)。光谱研究表明配体120、金属有机大环123和124在丙酮/水的混合溶剂中都具有AIE性质。随后他们系统研究了该组装体系的液晶性能,研究结果表明两种金属有机大环在室温下均显示为近晶A液晶相,而配体则显示矩形柱状液晶相。最后,基于该液晶功能化的AIE金属有机大环123,获得了一系列以年画“年年有余”为主题的高清晰度和高亮度的彩色全息图像(图53 b~f),通过液晶功能化的超分子金属有机大环实现了彩色图像的全息存储。
利用AIE金属有机配合物构筑人工光捕获体系(Light-harvesting systems, LHSs)不仅可以帮助人们深入理解植物光合作用,而且在太阳能开发、光电材料以及化学传感等领域具有广泛的应用前景。近期,Yi和Zhang等[249]通过AIE金属有机大环成功构筑了级联FRET的超分子人工光捕获体系(图54 )。他们将得到的含有TPE的金属有机大环127(图54 a)在水/甲醇混合溶剂体系中聚集形成分散的纳米粒子,并将聚集的纳米粒子作为给体负载荧光染料曙红Y(Eosin Y)作为受体进而构筑一级人工光捕获体系;进一步引入磺基罗丹明101(SR101)作为二级受体构筑具有级联FRET过程的人工光捕获体系(图54 b)。有趣的是,该人工光捕获体系在光催化C—H键烷基化反应中表现出显著增强的光催化性能。
2.4.3.2 具有AIE性质的金属有机笼
2015年,Stang和Huang等[250]设计并合成了一种新型的四吡啶基TPE衍生物128,该配体与二羧酸钠盐配体129或131和90°金属盐受体130以1∶2∶4的比例混合,通过三组分配位键导向自组装可分别构筑两个四方棱柱型金属有机笼132和133,这是首例具有AIE性质的金属有机笼(图55 a)。在10.0 μM的浓度下,金属有机笼132和133其荧光强度比配体增强约20倍以上。有趣的是,通过简单地增加正己烷在二氯甲烷中的比例,金属有机笼132的荧光发射颜色从黄色变为蓝色再到青色,且伴随着显著的荧光增强。此外,金属有机笼133在不同极性溶剂中表现出多种发射颜色,例如在四氢呋喃中呈白光发射(图55 b)。该工作实现了单一金属有机笼在单一溶剂中的室温白光发射,在荧光探针、生物成像剂、光电器件等方面具有广阔的潜在应用空间。
2019年,Zhang等[251]基于四方棱柱型金属有机笼成功实现了超分子人工光捕获体系的构筑,并将其用于光催化交叉偶联析氢反应研究(图56 )。他们首先设计合成了基于TPE的四羧酸钠盐配体134,随后与修饰有寡聚乙二醇链的双吡啶配体135以及90°金属盐受体130通过配位导向自组装构筑了一种四方棱柱形金属有机笼136。在浓度为10 μM时,金属有机笼136在水相中聚集形成具有高荧光发射的规整球形纳米粒子,其粒径约为140 nm。该水分散纳米粒子可以包裹荧光染料Eosin Y构筑以TPE金属有机笼136为给体、Eosin Y为受体的人工光捕获体系。由于Eosin Y作为光敏剂可以催化杂芳烃的C-H芳基化和交叉偶联析氢反应,因此将获得的人工光捕获体系用作交叉偶联的光催化剂。与单独的Eosin Y相比,这种基于人工光捕获的催化体系在催化交叉偶联析氢反应方面表现出更好的催化活性。
2016年,Su等[252]报道了一类TPE官能团化的银-膦四方棱柱型金属有机笼(图57 )。TPE配体137和AgBF4以1∶2的比例混合得到离散的金属有机笼138,其结构通过X射线晶体学确定(图57 a)。由于金属有机笼138中TPE单元分子内运动受限,其在稀溶液和聚集状态下均具有高荧光发射效率。有趣的是,研究表明金属有机笼138的四个银中心可用于结合客体离子或烯烃化合物,并伴随着荧光发射的减弱(图57 b,c)。例如,金属有机笼138的荧光发射在I、 以及反式和顺式芪的存在下发生猝灭。因此,这项工作提供了一例可用于分子传感AIE的金属有机笼。
图57 (a) 金属有机笼138的自组装示意图;(b) 金属有机笼138中加入不同阴离子的荧光发射光谱;(c) 金属有机笼138中加入不同芳香化合物的荧光发射光谱[252]Fig. 57 (a) Self-assembly of metallacage 138;(b) emission spectral changes of metallacage 138 with the addition of different anions;(c) emission spectral changes of metallacage 138 with the addition of different aromatic compounds[252] |
2020年,Liu和Zhao等[253]设计构筑了基于TPE单元的高度稳定锆簇金属有机笼,并成功将其应用于体外活细胞成像。他们首先合成了两个以TPE单元为核心骨架的120°双羧酸配体139和140,随后和高度稳定的三核锆簇通过配位导向自组装构筑了两个不同尺寸的锆簇金属有机笼141和142 (图58 a),并呈现出优异的AIE性质(图58 b,c)。需要指出的是,两个基于锆簇的金属有机笼141和142具有很高的结构稳定性,且细胞毒性较低,可以用于体外活细胞成像,为后续进一步在癌细胞诊断、药物输送和光动力疗法等方面研究提供了新的物质基础。
TPE单元还能通过化学修饰引入金属有机笼的外部或内部,从而实现AIE金属有机笼的构筑。最近,Stang和Yan等[254]设计合成了不同位点官能团化TPE的双吡啶配体143和144,然后与Pd(CH3CN)4(OTf)2或Pt(CH3CN)4(OTf)2通过配位导向自组装制备了M12L24型金属有机笼145和146(图59 a)。分子模拟结果表明,与TPE单元在笼空腔内部的146相比,金属有机笼145的TPE基团处于金属有机笼外部,表现出更高的自由度和灵活性,因此它们具有不同的发射特性。有趣的是,四个金属有机笼的吸收曲线表明它们的光吸收特性受配位金属离子种类影响,而与TPE的位置无关。例如,包含相同金属离子的金属有机笼具有几乎相同的特征吸收带,而基于Pt离子的金属有机笼145b和146b的吸收红移(图59 b)。
此外,发射光谱显示,基于Pd离子的金属有机笼145a和146a展示了明显的荧光猝灭。值得注意的是,内官能团化金属有机笼146b表现出比外官能团化145b更强的荧光发射,这归因于内官能团TPE单元在笼空腔受限环境中受到额外的分子内运动限制(图59 c)。这些结果初步表明利用金属有机笼的限域效应可以显著提高TPE基元的荧光发射性能。
2.4.3.3 具有AIE性质的金属有机框架
金属有机骨架(MOFs)是一类由金属离子或簇与有机配体配位形成一维、二维或三维的刚性延展结构。在过去的几十年里,MOFs已成为化学、材料、生物医学等学科发展最迅速的研究领域之一。MOFs通常具有有机-无机杂化特性、高比表面积、可调孔隙率和可变的化学结构和性质,在气体储存和分离、催化、磁体、传感、药物输送和癌症治疗等方面展现出许多潜在的应用。
2011年,Dincǎ等[255]报道了一种基于TPE单元的MOF 148。该MOF是通过配体147与Zn(NO3)2·6H2O在N,N-二乙基甲酰胺(DEF)和乙醇的混合溶剂体系中自组装形成(图60 a)。通过X射线单晶衍射分析,MOF 148为二级构建单元桨轮状Zn2(O2C-)4通过配体147桥接形成交错的二维片状结构。在MOF 148中,最近的分子间苯基-苯基距离为 4.753 Å,比常见TPE衍生物的最短苯基与苯基距离(3.4 Å)大1 Å以上。有趣的是,MOF 48即使在高达350 ℃条件也能保持其荧光性能(图60 b)[256]。通过温度依赖荧光发射研究表明,MOF 148在190 ℃时仅失去其初始荧光强度的50%。这一结果与大多数基于TPE的发光体系的行为截然不同,后者通常在高温下不发光。此外,MOF 148的独特功能使其能够在100 ℃下选择性地检测气态氨(图60 c)。当活化的 MOF 148在100 ℃暴露于不同蒸气(例如氨气、三乙胺、乙二胺、DEF和水的蒸气)中时,只有氨气导致发射最大值发生显着变化。
图60 (a) MOF 148 的自组装示意图[255];(b) MOF 148(正方形)和配体147(TPE,圆形)的温度依赖性荧光衰减曲线。加热和冷却循环分别用实心和空心符号表示;(c) MOF 148 在 100 ℃下暴露于各种分析物的归一化发射光谱[256]Fig. 60 (a) Self-assembly of MOF 148[255]; (b) Temperature-dependent fluorescence decay profiles of MOF 148 (squares) and ligand 147 (TPE, circles). Heating and cooling cycles are represented as filled and open symbols, respectively; (c) Normalized emission spectra of MOF 148 exposed to various analytes at 100 ℃[256] |
最初制备的MOF 151是白色粉末(151-W)并在470 nm处发射明亮的蓝光荧光。然而,当用载玻片压缩151-W或用6.0 M HCl溶液处理时,会导致与Zr6簇配位的TFA基团丢失,其颜色由白色变为黄色(151-Y)。151-Y的荧光发射在538 nm处,呈现为绿色荧光,与151-W相比红移了近70 nm(图62 b)。此外,颜色和发光的变化都是完全可逆的(图62 c),是一类可逆的压致荧光变色MOF,在光催化和传感方面具有潜在的应用价值。
3 AIE机理
AIE打破了“浓度猝灭发光”的经典论断,改变了人们对发光材料的传统认知,开启了一个全新的发展有机发光材料的思维模式。经过20年的发展,AIE已经在理论机制、分子设计、功能材料、光电和生物器件等方面取得了众多创新性的研究成果,这使其成为当今化学和材料研究领域的前沿热点。有机分子种类繁多、化学结构易变、分子内运动形式多样,这使得分子的电子激发态拥有多种衰减途径,并且衰减时间尺度横跨大(如皮秒、纳秒甚至秒)。孤立的有机分子体系可以自由地运动,产生复杂多样的光化学和光物理过程。如果多个有机分子通过分子间相互作用聚集在一起,形成稳定的有机分子聚集体。那么其电子激发态将在各种分子间相互作用的“限域”条件下衰减,多种衰减途径势必会被改变、阻塞甚至切断。因此,正如我们所观察到的同一种分子在不同状态下表现出完全不同的光物理行为,如ACQ、AIE、聚集诱导延迟荧光、有机室温磷光、力刺激响应发光等。但是,基于有机分子激发态的衰减途径多、衰减时间跨度大且环境依赖性强,目前尚未有一个统一的AIE机制能够合理解释所有有机体系的AIE现象。本部分简要总结了几种流行的AIE机理及其适用的体系范畴。这将有助于人们对AIE的理解,进而有利于AIE体系的结构创新和新应用的开发。
3.1 AIE的微观机制
一个孤立的有机分子在吸收光子后,从基态R生成高能量的激发态R*,R*不能稳定存在,很快通过释放能量回到低能量的基态(图63 )。能量耗散途径有:(1)保持在谐振区,R*发生辐射跃迁(速率为kr)和振动弛豫诱导的无辐射跃迁(NR-VR,速率为 或者 );(2)超越谐振区,R*发生较大的结构变化生成P*,再辐射和无辐射衰减到P (NR-ISO,速率为 );或者到达势能面交叉MECP(NR-MECP,速率为 ),再快速无辐射衰减到P或者R( 和 都可以写为 )。这些能量耗散过程同时存在并相互竞争。所以,一个有机分子发光必须同时满足以下条件:(1)分子激发能处于可见光区;(2)有效的辐射过程;(3)辐射速率不能远小于所有无辐射速率之和。
有机分子聚集体系具有各种各样的相互作用,如氢键、卤键、π-卤键、π-π、阳离子-π、阴离子-π+、偶极-偶极、离子-偶极等。这些相互作用在本质上表现为四种作用力:静电力、扩散力、排斥力和诱导力。它们可以改变有机分子激发态的几何结构(振动类型、振动能量、振动耦合等)、电子结构(电子组态及其性质、电子耦合、自旋轨道耦合、电子跃迁偶极矩等)和电子-振动耦合,从而影响分子激发态的各个能量耗散途径,使得有机聚集体表现出与孤立分子完全不同的光物理行为[261]。因此,各种AIE机理层出不穷,如J-聚集体发光机理[262]、分子内运动受限[84,118]、无辐射通道受阻[263]、光异构化过程的消除[264]、激发态分子内质子转移[265]、锥形交叉点途径受阻[266]、晶体诱导的暗态到亮态的转化[267]、Herzberg-Tell型电声子耦合诱导发光[268]等。下面,我们将简要综述几种流行的AIE机理及其适用的体系特点。
3.1 J-聚集体发光机理
早期,人们研究的发光体系多数是有机平面共轭分子,这些分子形成的聚集体中分子排列具有典型的面对面堆积(H-聚集体)或者头对尾堆积(J-聚集体)。根据Kasha激子模型的跃迁偶极矩的同相位叠加和反相位抵消(图64 ,以二聚体为例),H-聚集体的最低电子激发态是一个跃迁偶极禁阻的反对称激子态,致使发光猝灭;J-聚集体的最低电子激发态是一个跃迁偶极允许的对称激子态(二聚体的跃迁偶极矩是单分子的1.414倍),致使发光增强。J-聚集体的发光增强解释了一些有机平面分子聚集后发光增强的现象,曾一度被认为是有机分子聚集发光增强的主要原因[269]。但是,它对柔性体系或者部分平面共轭体系甚至一些有机平面共轭体系的聚集诱导发光现象均不能给出合理解释。一方面,有机分子聚集体的发光性质是由分子内的重组能(电子-振动耦合)λ和分子间的激子耦合J竞争所决定。在柔性和部分平面共轭体系中,J通常远小于λ(室温下J/λ<0.17),其光谱形状主要由分子内电子-振动耦合所决定而不依赖于分子间激子耦合[270]。另一方面,在一些有机平面共轭体系中,不仅分子间激子耦合大,而且分子间电荷转移程度也比较严重,这样将会发生激子耦合态与电荷转移态之间的多重耦合。在这种情况下,H-聚集体可以表现出类似J-聚集体的发光增强现象,而J-聚集体表现出类似H-聚集体的发光减弱现象,如图64 所示[271⇓~273]。
图64 H-聚集体和J-聚集体的Kasha的Frenkel激子(FE)模型和FE激子与电荷转移(CT)激子的耦合模型[273]Fig. 64 Schematic Kasha's Frenkel exciton (FE) model and FE-CT coupling model of H- and J-aggregate dimers. FES and FEAS are the dipole-allowed symmetric FE and dipole-forbidden antisymmetric FE, respectively. The FE-CT coupling model is established when the electron and hole transfer integrals te and th meet te ? th for H-aggregate and te ≈-th for J-aggregate, respectively[273] |
3.2 分子内运动受限机理
2003年,Tang等[84]采用一系列内部化学方法和外部物理方法系统研究了分子内空间位阻、溶液黏度、升降温度等因素对silole类化合物的发光强度、效率及寿命的影响,提出和证实了分子内旋转受限(RIR)机理。随着AIE材料分子的不断发展,无转子的分子体系也表现出明显的AIE现象。2014年,Tang和Qian等[118]结合实验测量与理论计算对比研究了具有转子的TPE和无转子结构的TPE衍生物(THBDBA和BDBA)的光物理性质。他们发现在无转子TPE衍生物中分子内扭曲振动及其重整能对环境非常敏感。在溶液中,这些分子激发态的扭曲结构变化大,使得扭曲振动的重整能很大,为无辐射跃迁过程提供了高效的能量耗散通道。在聚集状态下,分子间相互作用构成的“限域”环境大大限制了分子扭曲结构的变化,使得扭曲振动的重整能变小,有效阻塞了无辐射跃迁通道,这样,辐射跃迁过程占主导地位,分子表现出强荧光。这就是分子内振动受限(RIV)机理。于是,他们进一步提出了更具有普适性的兼备分子内转动和振动受限的分子内运动受限(RIM)机理[118]。该机理很容易被人们理解和接受。分子的激发态衰减为基态的过程是过多的电子能量耗散过程,要么以光的形式放出(辐射),要么以热的形式耗散(无辐射)。分子内运动受限预示着分子从电子激发态衰减到基态的过程中分子结构变化受到限制,那么其所消耗的热能就会大幅度减少。这样,辐射过程就会突显出来,分子体系就表现为显著发光。目前,RIM机理已被广泛认同,在指导AIE分子的结构设计与实际应用方面发挥着重要作用[274⇓~276]。总之,RIM机理能够解释各种无辐射跃迁过程对聚集的敏感性体系,但在一些刚性体系的AIE现象解释方面还需要进一步阐述。
3.3 无辐射通道受阻机理
2005年,Liu、Zhu与Shuai等[277]联合从实验和理论两方面系统研究了三个silole衍生物的结构、电子态、发光与传输性能。他们实验测量了三种化合物在不同状态下的发光效率,理论计算了辐射和无辐射跃迁速率。计算结果表明,DMTPS在溶液下的微弱发光主要是由较大的无辐射速率造成;在固态下,分子堆积阻塞了分子内周围苯环转动的无辐射通道,致使发光增强。这些化合物的辐射和无辐射速率的理论预测值均被后来的实验测量数据所证实。2007年,为了能更精确地预测无辐射跃迁速率,Shuai和Peng等发展了多模耦合的无辐射跃迁速率理论[278],实现了复杂有机分子的发光效率的定量预测,成功解释了TPBD的AIE现象[263]。聚集或者降低温度阻塞了由TPBD的二烯烃骨架扭曲和周围苯环转动产生的无辐射通道,致使发光增强。而且,苯环转动模式之间的耦合(Duschinsky转动效应)具有最强的环境敏感性,很大程度上决定了无辐射衰减速率的变化。2011年,Lin等[279]通过ONIOM方法研究了聚集对无辐射速率公式中的几个物理参数的影响,并得出聚集抑制了o-DPDBF分子结构的变化,减少了黄昆系数和重整能,从而减慢了无辐射衰减。2012年,Shuai等[280]结合分子力学/量子力学、多模耦合的辐射和无辐射速率理论,首次实现了分子聚集体的发光效率的定量预测,并以此揭示了吲哚衍生物(CPEI)的AIE机理:分子间氢键相互作用阻塞了低频振动模式引起的无辐射跃迁通道,得到强荧光。同年,Shuai等[281]在紧束缚密度泛函理论框架下实现了混合量子/经典非绝热动力学方法,实时模拟了“打开”和“闭合”的AIE活性和非AIE活性的环戊二烯衍生物(o-DPDBF和c-DPDBF)的激发态无辐射衰减过程。结果表明,AIE分子的低频扭转模式有效地与电子态耦合并接受能量,快速无辐射衰减到基态;而非AIE分子的这一模式被化学键所限制,无辐射通道受阻,进而发强荧光。
随后,Shuai和Peng等相继实现了化合物在溶液、晶态、无定型态等多形态、多尺度的光物理性质模拟计算,全面考察了不同环境下的分子本征的发光特性,构建了实验可测量与微观物理量之间的联系,提出了“共振拉曼光谱探测电子-振动耦合”、“同位素探测振动-振动耦合”、“发光强度的聚集尺寸效应探测无辐射速率”等实验方案,并得到了实验证实[282,283]。这些均证明从溶液到固态电子-振动耦合和振动-振动耦合减弱导致无辐射跃迁受阻是聚集诱导发光的主要原因(图65 )。从分子的结构特点来看,涉及的振动模式有环旋转、闭环扭曲、键弯曲、键摇摆及键伸缩振动等(图65 )[284,285]。这就预示着诸多有机分子体系都将会表现出AIE现象,证实了它的普遍存在性。诸多课题组以此机理解释了一系列AIE、聚集诱导磷光、聚集诱导延迟荧光等[286⇓~288]。
有机分子的电子激发态的无辐射衰减有多种类型和途径,以上讨论的多是谐振区结构弛豫诱导的无辐射过程。2013年,Blancafort和Li等[266]提出在o-DPDBF聚集切断了锥形交叉点诱导的无辐射过程,使得体系发光。Su和Liao等[291]将理论与实验相结合研究了铱金属配合物的聚集诱导磷光机理(Aggregation induced phosphorescence emission,AIPE),而无辐射跃迁衰减过程受限是聚集体强磷光的来源。随后,多个课题组通过理论计算找到了有机分子在溶液中的能量较低的交叉点,在固态下交叉点急剧上升或者不存在,以此解释了很多现象(图67 )[292⇓⇓⇓⇓~297]。有些体系在激发态势能面上弛豫到一个局部稳定点,并在此点的Frank-Condon区发生辐射和无辐射跃迁,但如果此处的辐射跃迁远远小于辐射跃迁速率,体系仍然不发光(图67 )[298]。相对于振动弛豫诱导的无辐射跃迁,无论是发生锥形交叉还是异构化,分子结构变化会更大(环变形、环扭转、成环、开环、键扭曲、键摆动等),造成更快的无辐射跃迁速率。但是,在固态刚性环境下,分子结构变化受限,交叉点或者异构化引起的无辐射途径将被阻塞,辐射过程占主导,体系发光。
总之,无辐射跃迁受阻机理和前面讲到的分子内运动机理是殊途同归,相互联系。前者是从激发态衰减的微观过程来阐述,后者是从分子结构变化来分析,两者之间映射出明确的结构与性能关系,分子结构的变化程度决定着无辐射跃迁的快慢,所以上述两者的适用范围是类似的。
3.4 聚集诱导辐射跃迁机理
随着AIE体系的极大丰富,分子内运动受限和无辐射通道受阻无法合理解释一些新型聚集诱导发光体系的发光现象。因为这些体系的最低电子激发态是跃迁偶极禁阻的电子态(常被称作暗态),辐射跃迁速率几乎为零。激发态暗态多数是由于电子激发态与基态波函数在空间上的完全分离或者函数相位相反,不能发生任何有效重叠而形成。由于有机分子种类繁多,同一个有机分子中存在着不同特征的轨道、不同程度的电子相关及不同性质的电子激发态。分子间相互作用会改变轨道和电子相关特征,进而改变激发态的性质和能级顺序,实现暗态与亮态之间的转变[261]。例如图68 ,在D-A分子体系中,极性溶液诱导TICT态为最低激发态猝灭发光态,而聚集限制了D和A之间的扭转抑制了TICT态的形成,从而形成局域激发的发光态[299]。在孤对电子体系中,静电相互作用会大大降低n轨道,而对π轨道影响不大,这样将会大幅度抬高电子态1(n,π*)或者1(σ,π*)和小幅度降低电子态1(π,π*),实现1(n,π*)或者1(σ,π*)和1(π,π*)之间的能量顺序变换,使得1(π,π*)从溶液中的第二激发态转化为聚集状态下的第一激发态,发出强光[300]。
还有极少部分的聚集诱导发光体系,量化计算的第一激发态无论是溶液还是固态均是跃迁偶极禁阻的暗态。但是分子振动会诱导出一个二阶的电偶极矩,从而发生有效的辐射跃迁。这种情况多发生在零级偶极矩消失的分子体系中[301],聚集诱导辐射跃迁机理适用于对称性体系、n轨道或者σ轨道参与电子跃迁的体系及完全的电荷转移特征的体系等。
以上四种机理均符合Kasha规则的最低电子态发光情况。第一种机理是分子间激子耦合与分子内的电子-振动耦合相当,两者协同决定了体系的发光性质。其他三种机理均忽略了分子间激子耦合,讨论的是单个分子在不同环境下的电子、振动及其耦合的发光性质。分子间弱相互作用可以改变分子的几何结构、电子结构、振动结构、电子-振动耦合性质、振动-振动耦合等,进而改变辐射和无辐射途径,决定发光性质。其中,核心改变是激发态的势能面形状和衰减途径(图69 )。在溶液中,各种途径各异的无辐射跃迁占主导,聚集下,无辐射跃迁受阻,辐射跃迁变强,体系发出亮光。
4 AIE概念的衍生
AIE现象引起了研究者的极大兴趣,在研究AIE材料的过程中,研究者还发现了一些AIE分子的新颖性质,如有机室温磷光(Room-temperature phosphorescence,RTP)与非传统发光,下面分别对这些概念进行阐述。
4.1 有机室温磷光
自AIE概念提出以来,该领域取得飞速发展,其中一个很重要的研究方向就是纯有机RTP,近10年来发展势头尤为迅猛,这一时期的研究一方面有第一性原理计算等手段来辅助机理研究,另一方面人们空前重视纯有机聚集体RTP材料在防伪、传感、生物成像、发光器件等领域的巨大应用前景。实现有机RTP的关键是促进系间窜跃并抑制三线态激子的非辐射跃迁,目前报道的新材料体系中促进系间窜跃的主要策略包括上述重原子效应、El-Sayed规则,以及聚集诱导系间窜跃、电荷转移态(包括含sp3连接子的电荷转移态)、超精细耦合等;材料形态则涵盖小分子、高分子、单组分及多组分聚集体等。
4.1.1 结晶诱导磷光和聚集诱导磷光
限制分子内运动是产生AIE效应的主要原因,在溶液状态下,活跃的分子内运动,如旋转和振动,通过非辐射衰变途径耗散激发态的能量,从而使发光体不发射,但是,在固体中,分子内运动被阻碍或RIM过程被激活,从而将发光源转变为强发射体[311]。
AIE分子一般来说都呈现荧光发射,很少发磷光。原因是对于纯有机化合物来说,三重态激子是自旋禁止的,且三重态激子容易失活,所以纯有机发色团的磷光效率在室温下非常低,一般认为它们在室温下无法发出磷光[312]。在2010年,Tang等[311]发现了一个引人注目的结晶诱导发光(CIE)过程,发光体只对晶态发出荧光。这些发光源的分子内运动即使在非晶态中也保持活跃,只有通过晶体堆积排列才能抑制分子内运动,从而产生新的CIE效应。分子内运动也是有机发光原非磷光性质的一个主要原因,其激发单线态极有可能发生系统间的交叉跃迁到激发三线态。可以设想,在结晶态时,激发三线态的非辐射弛豫通道可能被RIM过程阻断,进而为在室温下开发具有高效磷光的纯有机发光体提供了机会,从而进一步产生结晶诱导磷光(CIP)[313]。
除了CIP以外,其他的聚集方式有时候同样也可减小三线态的非辐射跃迁,从而产生了新的发光方式,我们称之为聚集诱导磷光(AIP)。
4.1.2 有机室温磷光体系
An等[314]于2015年提出H聚集体稳定三线态激子的策略,通过合理的分子设计,合成出一系列具有H聚集结构的有机分子,其最低三线态激发态(T1)在H聚集作用的稳定下,产生能量更低的三线态激发态( ),成功实现了对磷光寿命的延长,其中,最长磷光寿命可达1.35 s(图70 )。
4.1.3 有机室温磷光三线态调控
有机分子的三重态激子具有长寿命和自旋多重性,使其在多种光物理过程和相关应用技术研究中有突出价值和意义,有机磷光源自于三重态激子辐射跃迁,有望成为有机光电和生物医学等领域中的新一代发光材料。但是,此前有机磷光通常仅在低温和惰性条件下在溶液中可以观察到,这严重限制了其实际应用。AIE的发展给有机磷光带来了一场概念上的革命,并为分子和聚集体的研究架起了桥梁。近年来,基于有机聚集体的室温磷光(RTP)取得了快速的发展,在分子结构设计和聚集行为调控方面已经取得了较大的成果。但是,由于三重态激子在光物理过程中的高度敏感性和复杂性,现有研究仍未清晰地阐述其中的机制和原理,研究者们也一直致力于解决这些问题。
磷光的产生需经历从激发单重态到激发三重态的系间窜跃过程和激发三重态到基态的辐射跃迁过程,为自旋禁阻的辐射衰变过程。由磷光寿命公式 ,其中,τp为磷光寿命,kr为辐射跃迁速率常数,knr为非辐射跃迁速率常数。因此,在不影响磷光效率的前提下,提高磷光寿命τp,应尽可能地减小三线态激子的非辐射跃迁速率常数(knr)。我们简要总结了一些调控有机磷光寿命的有效策略,包含了从有机小分子、共晶到聚合物等不同材料体系。
4.1.3.1 有机室温磷光寿命调控
调控单线态和三线态的电子组分对磷光性质具有重要的影响。在2016年He等[325]提出了一个基于内在分子结构工程的合理设计原则,对分子轨道的综合研究表明,理想的激发态是具有明显比例的杂化(n,π*)和(π,π*)构型,如图77 所示。设计芳基苯中的芳族亚基可以有效地调节三重态激子的能级和轨道特征,实验数据表明,在环境条件下可以实现一系列具有平衡寿命(高达0.23 s)和效率(高达36.0%)的全色纯有机磷光体,证明了该设计原则的有效性。
图77 纯有机RTP性能的理论模型。(a) 有机发光体的Jablonski图。(b) 磷光量子产率、ISC量子产率和磷光寿命的方程。(c) ISC和分子轨道杂交的El-Sayed规则的示意图,用于调节磷光衰减速率的最低三重态。通常,持久的有机磷光是由具有纯3(π, π*)构型的T1极慢的辐射衰减率引起的[325]Fig. 77 Theoretical models for understanding the performance of pure organic RTP.(a) A Jablonski diagram of organic luminophores. (b) Equations for phosphorescence quantum yield, ISC quantum yield, and phosphorescence lifetime. (c) Schematic representation of the El-Sayed rule for ISC and molecular-orbital hybridization of the lowest triplet states for tuning the rate of phosphorescence decay. Generally, persistent organic phosphorescence results from an extremely slow radiative decay rate of T1 with a pure3(π, π*) configuration[325] |
2017年,He等[326]报道了一种单一的纯有机磷光体,即4-氯苯甲酰二苯并噻吩,能发射白色室温磷光,国际发光委员会坐标为(0.33,0.35),如图78 所示。实验和理论研究表明白光发射是由双磷光产生的,双磷光从第一和第二激发三重态发射。这项工作还证明了通过系统内由低和高三重态混合产生的双室温磷光来实现无金属纯磷光单分子白光发射体的策略的有效性,为白色室温磷光发光提供了一定的策略。
图78 开发单分子白光RTP体系的策略和实例。(a) 双磷光发射的Jablonski图。(b) ClBDBT的照片图案。使用ClBDBT粉末绘图案。白光是在激发源打开时拍照所得,黄灯是在激发源关闭时所得。(c) 室温磷光体的分子结构[326]Fig. 78 Strategy and example to develop single molecule white light-emitting RTP system. (a) Jablonski diagram for dual phosphorescent emission. (b) Photo-pattern of ClBDBT. A lamp was drawn using powder of ClBDBT. The white lamp was taken when excitation source is on, the yellow lamp was taken when excitation source is off. (c) Molecular structures of room temperature phosphors studied here[326] |
2018年,He等[327]通过结构异构实现最低单重态和三重态(ΔEST)之间的小能隙和最低三重态(T1)的纯π-π*构型的设计原理,获得了高效和超长RTP材料。咔唑取代的苯甲酸甲酯的间位异构体显示出795.0 ms的超长寿命,量子产率为2.1%。结构-性质关系的研究表明,不同位置的酯取代基所产生的不同的空间效应和共轭效应是T1小而纯的π-π*构型的原因,如图79 所示。
He等[328]在2019年提到通过分子内三重态-三重态能量转移(TTET)来提高磷光效率的策略,如图80 所示。通过(溴)二苯并呋喃或(溴)二苯并噻吩与咔唑的结合促进了系统间交叉过程,提供了分子内三重态桥以及接近定量的三重态-三重态能量转移来重新填充咔唑的最低三重态。所有这些因素共同促成了高效磷光通过分子内TTET提高有机持续室温磷光效率的设计策略,文章所设计的四种分子都显示出了高效和持久的发光,在环境条件下,最佳的ФP高达41%,寿命为0.54 s。当然在设计中重原子、小能隙和自旋-振动耦合机制都有效地促进了ISC过程,为开发室温磷光材料提供了一定的分子设计策略。
在2019年,An等[329]通过向吩噻嗪体系中引入d-pπ键(图81 a),实现了磷光寿命19倍的延长。d-pπ键的引入使T1态的(π,π*)组分增加,有效地降低了辐射跃迁速率(kr),并且分子间相互作用也得到增强,非辐射跃迁速率(knr)减弱,从而使得磷光寿命大幅提升(图81 b)。
上述报道通过有效的分子设计提高了磷光发射的寿命,为构建超长磷光材料提供了一定的理论支撑。
4.1.3.2 有机室温磷光的效率调控
提升有机室温磷光材料的磷光效率有助于实现该类材料在高性能光电器件等领域的应用。引入重原子可以有效提高ISC过程,实现高效的磷光发射。2018年,An等[330]报道了一系列含溴原子的同分异构体(p-BrTCz、m-BrTCz和o-BrTCz)。其中m-BrTCz可以有效形成π-型卤键,因而具有更高的磷光效率(图82 a)。2019年,他们在PDCz分子上引入溴原子(PDBCz),通过分子内空间重原子效应,将磷光效率提升了一个数量级,效率高达38.1%(图82 b)[331]。2019年,他们在碳硼烷的不同位点引入发色团(图82 c),制备出一系列有机长余辉材料(p-1、m-1、o-1)[332]。p-1具有更强的分子间作用力和更紧密的分子堆积结构,可有效抑制三线态激子的非辐射跃迁,因此p-1展现出最高的磷光效率和最长的磷光寿命(7.1%,168 ms)。
图82 (a) 化合物p-BrTCz、m-BrTCz、o-BrTCz的分子结构及磷光效率[330]。(b) 化合物PDCz和PDBCz的分子结构及磷光效率[331]。(c) 化合物p-1、m-1、o-1的分子结构及磷光效率、寿命[332]Fig. 82 (a) Molecular structures and phosphorescence quantum yields of the compounds p-BrTCz, m-BrTCz, and o-BrTCz[330]. (b) Molecular structures and phosphorescence quantum yields of the compounds PDCz and PDBCz[331]. (c) Molecular structures, phosphorescence yield, and lifetimes of the compounds p-1, m-1, and o-1[332]. |
此外,基于系间窜跃速率反比于单线态激发态与三线态激发态能级差(ΔEST)的规则,Zhang等[313]通过在1,8-萘酰亚胺衍生物中引入分子内的电荷转移态(Charge transfer, CT)实现了超长寿命的纯有机RTP(图83 )。1,8-萘酰亚胺N原子上取代基供电性弱时,分子以π-π*跃迁为主,π与π*轨道空间重叠程度高,因此1(π-π*)态与3(π-π*)态能级差较大,系间窜跃困难,RTP弱;当N原子共价连接较强的供电基团后,最高占有分子轨道(HOMO)分布在N-供电基上,而最低未占分子轨道(LUMO)分布在萘酰亚胺环上,两者在空间得以分离,其CT态就具有较小的ΔEST,系间窜跃效率较高,因此CT态可以介导分子的系间窜跃,实现1(π-π*)→1CT→3CT→3(π-π*)的逐级能量传递过程,从而增强整个分子的RTP效率。小分子的萘酰亚胺衍生物随N-取代基供电性增强,以PMMA作为基质时,黄色RTP ( ~541 nm)效率也逐渐提高,N-取代基为三甲基苯与N-取代基为正丁基相比,RTP效率得到了40倍以上的提升,且RTP寿命长达0.23 s。N-取代基上含有醇羟基时,可以作为丙交酯开环聚合引发剂,得到具有RTP性质且生物相容性好的聚乳酸,有望在生物成像领域得到应用。同时,该工作也证明了以萘酰亚胺衍生物作引发剂得到的聚乳酸中,当N-取代基为较强供电基团时,RTP比N取代基为非供电基团时明显增强。
因为红光/近红外发光具有更好的生物组织穿透性,所以在成像领域具有更好的应用前景。基于此,Zhang等[333]继续利用CT态介导系间窜跃的策略,采用1,4,5,8-萘四甲酰基二酰亚胺代替1,8-萘酰亚胺,可将3(π-π*)能级降至红光区域,并在两个N原子上都连接上供电基团,通过1(π-π*)→1CT→3CT→3(π-π*)逐级能量传递过程实现了红光/近红外RTP(发射主峰在红光区且发射峰拖尾至近红外区),绝对量子产率达~5%,寿命达30 ms以上。
后期工作中,Zhang等[334]通过硫磺素衍生物证明了CT态促进RTP策略的通用性。将硫磺素衍生物通过共价键连接到极性的聚氨酯中,因为硫磺素衍生物自身的跃迁以π-π*为主,所以初始聚氨酯不显示可见的RTP;当向该聚氨酯中添加质子酸后,硫磺素衍生物上的两个N原子中任意一个被质子化后都会变成电荷受体,诱导产生分子内CT态,降低ΔEST,从而促进黄色RTP的产生。密度泛函理论计算也表明,在硫磺素衍生物两种质子化的异构体中,ΔEST由质子化前的0.97 eV分别减小至0.43和0.32 eV。
对于一些电荷给体(Donor, D)和受体(Acceptor, A)空间距离较近且平面性较好的纯有机分子,即使产生了分子内CT态,也难以获得RTP。这是因为HOMO与LUMO仍有较高空间重叠度,导致分子ΔEST仍较大,系间窜跃困难。基于此,Zhang等[335]在合适的D与A之间用sp3原子作为连接子,得到“D-sp3连接子-A”结构,这样可以增大HOMO与LUMO的空间距离,减小ΔEST,同时D与A形成扭转构象,能增强自旋轨道耦合,系间窜跃时电子翻转导致的自旋角动量变化可由轨道角动量变化得到补偿,保证角动量守恒。依此,他们在一系列“D-sp3连接子-A”结构中证明了该设想,获得了高效RTP。
例如,将邻苯二甲酰亚胺的N原子与二甲氧基苯通过亚甲基共价连接,此时二甲氧基苯作为电荷给体,邻苯二甲酰亚胺环作为受体,亚甲基作为sp3连接子,得到的分子在聚集态具有超长(寿命523 ms)黄色RTP(绝对量子产率3.5%);若将二甲氧基苯替换为苯基,则其供电性减弱,不能形成有效分子内CT态,分子在聚集态基本不显示RTP[335]。
Zhang等把sp3连接子推广为硫原子,同样获得了高效纯有机RTP。如图84 所示,当硫原子一端为氰基苯另一端为甲氧基苯时,形成“D-S-A”结构,能产生分子内CT态,聚集态显示明亮的黄色RTP(总量子产率高达20%,磷光寿命大于80 ms)。基于此,他们也设计了RTP“点亮”型的质子探针,即硫的一端为甲氧基苯,另一端为喹啉环(DSQ)或吡啶环(DSP),其本身的聚集态不显示RTP,但当喹啉环和吡啶环分别被质子化后,形成了“D-S-A”结构,聚集体均显示明亮的RTP,寿命分别为10.2和58 μs,总量子产率分别高达10.7%和5.7%。值得注意的是,DSP在氯化氢气体中,随氯化氢浓度逐渐提高,RTP线性增强,因此在酸性物质的定量检测中具有很好的应用前景[336]。
此外,Zhang等[337]还利用sp3连接子构建了具有单组分聚集诱导双重RTP性质的多自由度分子体系。以“桨状”的三苯胺(TPA)基元作为电荷给体,以亚甲基或氧原子作为sp3连接子,以氰基苯、二苯甲酮、苯乙酮分别作为电荷受体,构建了5种“D-sp3连接子-A”结构TPA1、TPA2、TPA3、TPA4和TPA5,这些分子在溶液中因为较多的转动和振动自由度几乎不发光,而在固体中分子内运动受限,且三苯胺的“桨状”结构和sp3连接子提供的扭转构型限制了分子的π-π堆积,所以固态发光效率很高,RTP量子产率分别高达9.5%、10.0%、8.2%、13.3%和13.6%,寿命长达340 ms。结合变温光谱和密度泛函理论计算数据可以得到以下理论阐释:该类“D-sp3连接子-A”结构的最低三线态激发态(T1)势能面可能由D和A各自局域的势能面(即三苯胺基团的 和吸电基团的 )共同组成,较高温度下(如室温)分子振动足以克服 和 之间的能垒, 可以更多地先转化到 再发射,表现出结构不清晰的混合磷光峰,随着温度降低(如77 K),分子运动受限, 无法克服能垒转化至 ,因此 直接作为发射态的可能性提高,表现出 和 各自清晰的磷光峰。该工作为开发聚集诱导单组分多重RTP分子提供了另一条思路并且该类分子有望应用于温度检测领域。
4.1.3.3 有机室温磷光的颜色调控
多彩的发光性质对于拓展传感、光电器件和信息加密等领域的应用具有重要的作用。目前大多数磷光发射主要集中在黄绿光区域,而关于蓝光和红光区域发射的纯有机磷光材料还很少报道。如图85 a所示,An等[314]基于H-型聚集体结构,将有机磷光由515 nm调节到587 nm,得到了绿色、黄色及红色超长磷光材料。之后,他们将平面的咔唑分子替换为扭曲的亚氨基二苄分子,减弱了分子之间的共轭度,实现磷光光谱的蓝移(图85 b)[312]。另外,在构筑离子晶体的过程中,通过改变抗衡阳离子的种类,对甲苯二甲酸的扭转角从6.62°增加到13.20°,磷光发射主峰由456 nm红移到508 nm,磷光颜色由天蓝色变成绿色[319](图85 c)。
图85 多彩的超长有机磷光材料体系。(a) 基于H-型聚集体结构的多彩超长磷光分子及其光物理性质[312]。(b) 咔唑和亚氨基二苄基的分子结构及光致发光和磷光光谱[314]。(c) 离子晶体的分子结构及光致发光和长余辉图片[319]Fig. 85 Colorful ultralong organic phosphorescent material system. (a) Colorful ultralong phosphorescent molecules based on H-type aggregate structure and their photophysical properties[312]. (b) The molecular structures and photoluminescence and phosphorescence spectra of carbazole and iminodibenzyl[314]. (c) The molecular structures and photoluminescence and long afterglow pictures of ionic crystals[319] |
图86 基于不同发光中心的单组分多彩超长有机磷光。(a) 2,4,6-三甲氧基-1,3,5-三嗪(TMOT)粉末的激发发射磷光光谱。插图:TMOT粉末在不同激发下的磷光光谱。(b) 激发波长改变导致的磷光CIE坐标变化[338]。插图:TMOT在不同激发下的余辉照片。(c) 海因分子的磷光激发发射光谱。(d) 海因在不同激发下的磷光CIE坐标变化及相关照片[339]Fig. 86 Single component colorful RTP materials. (a) Excitation-phosphorescence mapping of 2,4,6-trimethoxy-1,3,5-triazine (TMOT) under ambient conditions. Inset shows the phosphorescence spectra of TMOT following different excitations. (b) The recorded CIE coordinate by varying the excitation. The inset photographs show the relative afterglow photographs of the TMOT powder[338]. (c) Excitation-phosphorescence mapping of glycolylurea. (d) The change of CIE coordinate with the variation of excitation wavelength[339] |
同样,An等[320]在聚合物体系中也实现了多彩的磷光发射。2019年,他们利用离子锁的策略,实现了77 K条件下的聚合物多彩发射。随着激发波长红移,PSSNa的磷光发射从441 nm红移到568 nm(图87 a)。同样,基于无定型的PVP-S,可以实现更宽的颜色可调范围[321]。在77 K条件下,随着激发波长红移,超长有机磷光可由蓝色调节到红色,对应的磷光发射峰从452 nm红移到600 nm(图87 b)。2020年,通过自由基聚合,他们获得了室温条件下颜色可调的聚合物薄膜PDNA[322]。如图87 c, d所示,随着激发波长红移,PDNA的超长有机磷光颜色从蓝色(445 nm)红移到黄色(547 nm)。上述策略具有一定的普适性,通过改变共聚的发色团种类,可以实现磷光由蓝色到绿色的调节。
图87 (a) PSSNa[320]和(b) PVP-S[321]在77 K下不同波长激发下的磷光光谱和照片。(c) PDNA薄膜的磷光发射与激发映射图。(d) PDNA薄膜在不同激发波长下的磷光颜色变化[322]Fig. 87 Excitation dependent phosphorescence spectra and photographs of (a) PSSNa[320] and (b) PVP-S[321] at 77 K. (c) Excitation-phosphorescence mapping of PDNA film. (d) CIE chromaticity diagram and phosphorescence photographs of PDNA with varied excitation[322] |
4.1.3.4 有机室温磷光的激发波长调控
目前大多数的有机室温磷光材料都是基于紫外光激发的材料体系,为了进一步拓展有机室温磷光材料的应用领域,设计并制备出具有X射线激发和可见光激发性质的有机室温磷光材料是近年来研究的热点。2021年,An等[340]提出了一种实现高效纯有机室温磷光的普适性设计策略,将卤素重原子引入有机磷光分子中,制备出了一系列高效的室温磷光材料(图88 a)。重原子的引入提升了材料对X射线的吸收能力,并将三线态激子由暗态转化为亮态,使三线态激子参与辐射发光,这有效地增强了纯有机闪烁体的辐射发光性能(图88 b), 并成功实现了纯有机材料在X射线激发下的成像。该类闪烁体材料具有出色的光稳定性和极低的检测限(33 nGy·s-1),体现出有机磷光材料在X射线探测、成像等领域的巨大应用潜力。
此外,2017年,An等[341]还构筑了一系列基于咔唑的有机磷光分子(图89 )。CPhCz和BPhCz在xy平面内分子间具有多重相互作用,导致激发光谱红移。同时,此类分子在z轴上具有强烈的H堆积,稳定了三线态激子(图89 a)。因此,该类材料表现出具有可见光激发的有机长余辉发光性质(图89 b)。
4.1.3.5 有机室温磷光性质的动态调控
动态智能响应材料是能感受外界刺激并能做出相应反馈行为的一类新型材料。将动态响应性质与超长有机磷光材料相结合有望为拓展有机电子学的应用提供更加广阔的平台。2018年,An等[342]报道了一系列光活化的动态有机室温磷光化合物,此类材料在光源刺激下,分子内的扭转角会发生显著变化,进而导致分子间作用力的不同,使其在连续的紫外光激发下表现出可调节的磷光寿命,并且在紫外光撤去后,材料的磷光性质可恢复。之后,他们又开发出晶型依赖的有机室温磷光化合物[343]。通过在不同溶剂中挥发,他们分别培养出块状和棒状两种晶型的晶体。这两种晶体对紫外光表现出不同的响应性质。块状晶体内分子间π-π相互作用相对较弱,在紫外光的刺激下,分子更加容易发生运动,因此比棒状晶体对紫外光更加敏感,具有更快的响应速度。
4.1.3.6 主客体掺杂调控有机室温磷光
虽然上述基于二甲氧基苯和邻苯二甲酰亚胺基团的“D-sp3连接子-A”结构具有聚集诱导RTP性质,但在合成邻苯二甲酰亚胺苯环上有溴原子取代(BrBID)的衍生物时,只有用DMF作溶剂得到的产物具有黄色RTP,用乙醇作溶剂得到的产物则不显示任何肉眼可见的RTP,结合柱色谱、高效液相色谱分离以及单晶X射线衍射分析发现,用DMF作溶剂时,得到了一种Br原子被N,N-二甲基取代的痕量副产物X,把纯净的X掺杂到纯净的BrBID中,光谱性质与从DMF作溶剂得到的产物基本重合,且X的掺杂含量为1%质量分数时,得到的主客体双组分聚集体RTP量子产率可高达25.4%。对比实验发现,X掺杂在BrPID(溴代邻苯二甲酰亚胺N原子直接与二甲氧基苯共价连接)中无RTP,且当X溶于1,6-二溴己烷冷却到77 K也无磷光现象,说明重原子效应不是引起X/BrBID主客体RTP现象的主要原因;因为X与BrBID分子尺寸相近,结合密度泛函理论计算我们提出以下机理:X中N,N-二甲基的n轨道与邻近BrBID分子中C—Br键的σ*轨道部分重叠,亦即n电子向σ*轨道的电荷转移可能参与了激发态并促进系间窜跃和RTP,这与Zhang等[344]前期阐述的外部重原子效应中CT态促进RTP的作用类似。
在另外一个sp3连接子二元聚集体体系中,他们发现三线态能级低的萘酰亚胺衍生物MONI、MSNI、MNNI分别作为客体在邻苯二甲酰亚胺衍生物主体BrBI中均能显示高效超长寿命RTP(图91 )。当客体的质量分数是1%时,二元聚集体MONI@BrBI、MSNI@BrBI、MNNI@BrBI的RTP寿命分别长达243.07、42.48和131.77 ms,量子产率分别高达17.4%、12.6%和8.3%,最大发射峰分别在554、599和623 nm。重要的是,当MSNI的质量分数低至10 ppb时,MSNI@BrBI仍然可以显示肉眼可见的长余辉。可以用三线态-三线态能量转移来解释该主客体体系的RTP现象,即被激发后主体分子的聚集体三线态能量转移至三线态能级更低的客体分子上,客体分子的三线态激发态作为最终的发射态发射观测到的RTP[345]。
4.1.4 有机室温磷光材料的应用
4.1.4.1 OLED
OLED对照明与显示产业有着举足轻重的作用,而磷光材料则是新一代OLED的理想材料,因为它同时能利用25%的单线态激子和75%的三线态激子,理论上比荧光型OLED效率更高,对节能减排和可持续发展具有重要意义。然而,目前产业化的磷光OLED材料大多仍依赖于铂、铱等成本高、毒性高的贵金属,并且需要将发光材料掺杂在特定基质中作为发射层,制造工序复杂。为解决这些问题,Zhang等[349]设计了一类具有聚集诱导RTP性质的纯有机分子,一方面利用联咔唑与二苯甲酮基元的电荷转移态和n-π*跃迁结合来增强系间窜跃,同时利用分子的扭转构象来抑制π-π堆积和发光猝灭,得到的分子在固态下具有双重磷光现象,寿命都在微秒级别,总RTP量子产率可高达64%(图92 )。利用这类纯有机分子的本体直接作为OLED发射层,得到的器件展现出5.8%的外部量子效率,超过了荧光型器件的理论极限值并刷新了纯有机磷光型OLED器件的记录,证明了纯有机聚集诱导RTP在开发高效OLED上的巨大潜力。
4.1.4.2 生物成像与治疗
An等[350]用亲水性的中空介孔二氧化硅纳米粒子(Hollow mesoporous silica nanoparticles, HMSNPs)包覆疏水的超长有机磷光体(图93 a),制备出磷光纳米点(Phosphorescent nanodots, PNDs),该纳米点在水溶液中仍然保持高效的磷光发射,显著提高了体内生物成像性能。合成示意图如图93 b所示,通过该方法已经成功制备得到一系列PNDs。以DBCz-BT-PNDs为例,用PNDs培养HeLa细胞和斑马鱼,通过实验发现PNDs对HeLa细胞和斑马鱼的生物毒性很低(图93 c),在此基础上,成功实现了对两者的磷光成像(图93 d, e)[351]。
图93 (a) RTP分子的化学结构[350]。(b) 负载磷光体的中空介孔二氧化硅纳米粒子的制备示意图。(c) 在不同条件下,HeLa细胞存活率关系图。(d, e) 活HeLa细胞和斑马鱼的磷光成像[351]Fig. 93 (a) Chemical structures of the RTP molecules[350]. (b) Schematic illustration of the fabrication of HMSNPs loaded with phosphors. (c) Viability values of HeLa cells incubated with PNDs in dark or under excitation. (d, e) Images of living HeLa cells and zebrafish[350] |
此外,An等[352]继续探究DBCz-BT-PNDs作为光敏剂用于HeLa细胞的光动力学治疗和抗菌治疗。如图94 a,随着光辐射时间的增加,产生的1O2会导致癌变细胞氧化凋亡,使得治疗组中肿瘤的体积和细胞面积明显减小(图94 b)且小鼠体重稳定(图94 c),证明PNDs具有有效的PDT效果。另外,他们也报道了纯有机PNPs在光动力学抗菌治疗中的应用,在细胞和活体实验中,均证明了PNPs的灭菌效果。
图94 (a) 不同照射时间下,在500~550 nm处采集的HeLa细胞的明场和重叠的共聚焦图像。(b) 不同组的小鼠在治疗时间延长下的肿瘤相对体积变化和(c)体重变化。(d) H&E染色对照组和治疗组的肿瘤组织切片的图像[352]Fig. 94 (a) Confocal images of HeLa cells collected at 500~550 nm, bright field and overlap under different irradiation time. (b) Relative tumor volume and (c) body weight of mice in different groups with prolonged treatment time. (d) H&E stained images of tumor slices from the tumor tissues of the control and treated groups[352] |
4.1.4.3 挥发性有机物传感
挥发性有机物(VOC)在日常生活中广泛存在并且对人体健康和环境危害极大,因此,对该类物质的检测具有重要意义。An等[353]于2018年开发出一种对氯仿有良好选择性响应的磷光材料。通过循环熏蒸和加热,可以调控氯仿分子与TDP分子(图95 )的结合,进而可以实现有机长余辉发光信号的开关调控。基于此,充分利用该材料的相应性质,可以将其运用于氯仿的高选择性、良好可逆性、高度灵敏的可视化检测。
4.1.4.4 信息加密
图96 有机磷光在信息加密的应用。(a) 在紫外灯照射前后的图案[314]。(b) 在不同激发下的多色磷光图案[338]。(c) 多级防伪展示[342]。(d) 分子逻辑门中的应用演示[343]Fig. 96 The application of information encryption. (a) The imaging patterns before (top) and after (bottom) excitation[314]. (b) The multi-color phosphorescent patterns under different excitation[338]. (c) Multi-level anti-counterfeiting experiment[342]. (d) Application in molecular logic gates[343] |
4.2 非典型发光
有机发光材料具有独特的光物理性质,同时在有机发光二极管(OLED)、有机激光、光波导、生物影像、光动力治疗、生物与化学传感等领域具有重要应用,因而受到广泛关注。传统有机发光化合物多具有芳(杂)环或交替单键-重键等大的共轭结构。然而,近年来,另一类化合物因其独特结构和内源性发光特性而引起人们的极大兴趣[354⇓⇓⇓~358]。与传统发光材料相比,此类化合物仅含有脂肪胺、羰基(C=O)、酯基(COO)、酰胺基团(CONH)、硅氧键(Si—O)、不饱和键(如C=C、C≡N)等基团(图97 ),却在一定条件下也能发光。这类非典型发光化合物,既可以是小分子,也可以是聚合物;既可以是天然产物、生物分子,也可以是人工合成化合物(图98 )[359⇓~361]。通常,其合成较传统发光材料更为便捷,且易于修饰。特别地,许多非典型发光化合物具有良好的亲水性、环境友好性、优异的生物相容性等优点,使其在生物、医药等领域有着广阔的应用前景。同时,非典型发光化合物通常还表现出浓度增强发光和AIE特性,从而更有利于其实际应用。此外,这些化合物还具有普遍的磷光发射甚至超长寿命室温磷光(p-RTP)发射性质(图98 ),使其可应用于传感、高端防伪、保密等领域。
图97 非典型发光化合物中常见的亚荧光团Fig. 97 Common subfluorophores in nonconventional luminophores |
图98 (a) D-木糖[359]、N,N'-羰基双丁二酰亚胺(CBSI)在不同紫外灯照射下及关灯后的照片[360]。(b) L-赖氨酸(L-Lys)及ε-聚(L-赖氨酸)(ε-PLL)在365 nm紫外灯照射下或关灯后的照片[361]Fig. 98 (a) Photographs taken under and after the stop of varying UV lights for D-xylose[359] and CBSI[360]. (b) Photographs taken under and after the stop of 365 nm UV light for L-lysine and ε-PLL[361] |
近年来,非典型发光化合物受到了越来越多的关注,无论在体系拓展、性能提升、性质调控还是机理探索等方面均取得了重要进展,下面我们将对此进行简单总结。
4.2.1 非典型发光化合物的分类
近年来,非典型发光有机/高分子材料受到了越来越多的关注。很多普通的合成高分子、生物大分子甚至小分子化合物被发现具有本征荧光或磷光,同时表现出AIE行为。与含有π-共轭苯环或杂环的传统荧光化合物不同,这类有机/高分子材料通常含有氨基、羟基、羰基、酯基、酸酐、脲基、磺酸基、氰基等富含n电子或π电子的非共轭或小共轭官能团(图97 ),即非典型生色团。这些非典型荧光有机/高分子材料在聚集状态下能发出明亮的本征荧光或磷光。根据分子量的区别,非典型发光材料可被大致分为非典型发光聚合物(Nonconventional luminescent polymers,NLPs)和非典型发光小分子两类。
4.2.1.1 非典型发光聚合物
NLPs由于不具有芳环结构,通常具有制备简易、链柔顺性好、结构稳定、亲水性和生物相容性良好等优点,这使其成为生物和医学应用领域的理想候选材料。而NLPs又可以被进一步细分为树状/超支化聚合物和线型聚合物,早期对于NLPs的研究多集中于前者。
树状和超支化聚酰胺胺(PAMAM)是最早被报道的合成NLPs,之后,各种树状/超支化NLPs开始被广泛研究,如超支化聚氨基酯(PAE)、聚醚酰胺(PEA)、聚酯酰胺醚(PEAE)、聚酰胺酸(PAA)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚碳酸酯、聚硅氧烷、聚醚、聚胺基醚酯和树状聚脲等,均具有本征荧光发射。树状和超支化NLPs产生荧光发射的根本原因在于分子链中的非典型生色团处于受限空间中,一方面导致彼此间的簇聚,从而产生电子云重叠、共享,进而实现电子共轭和离域范围的扩展,更易被激发;另一方面则是由于其运动受到限制,降低了激发态分子非辐射跃迁产生能量耗散的概率,导致以荧光发射的方式释放能量的概率增加。
树状/超支化NLPs由于本身拓扑结构带来的优势,其内部的非典型生色团更易于成簇,因此成为较早引起研究者关注的研究对象。而近期,越来越多的线性NLPs也被报道具有本征荧光或磷光发射。按照官能团组成,这些NLPs大致可以分为以下5类。
(1)聚酰胺和聚酰亚胺类。如聚丙烯酰胺(PAM)、聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、聚酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯基己内酰胺(PNVCL)以及聚丁二酰亚胺等。
(2)聚羧酸、聚酸酐以及聚酯类。如聚丙烯酸(PAAc)、聚马来酸酐(PMAh)、聚衣康酸酐(PITA)等。
(3)含硫聚合物。如磺化丙酮-甲醛缩聚物(SAF)、聚(4-乙烯基吡啶)丁烷-1-磺酸酯(PVP-S)、聚硫醚、聚亚砜和聚砜、全氟磺酸离聚物(PFSI)等。
(4)共聚物类。如聚(马来酸酐-醋酸乙烯酯)(PMV)、聚(马来酸酐-乙烯基吡咯烷酮)(PMVP)、聚(衣康酸酐-乙烯基吡咯烷酮)(PIVP)、聚衣康酸酐-乙烯基己内酰胺(PIVC)以及其他二元或三元共聚物等。
(5)其他聚合物。如线型聚乙烯亚胺(PEI)、聚氨酯类、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯腈(PAN)、聚脲、聚亚胺呋喃(PIFs)、寡聚硅氧烷等。
此外,很多生物大分子,如纤维素及其衍生物、淀粉、壳多糖、海藻酸盐等碳水化合物,多肽、聚氨基酸和蛋白质等也被发现具有本征荧光或磷光发射性质。
4.2.1.2 非典型发光小分子
相比于NLPs,非典型发光小分子尽管在加工性、柔顺性等性质上不如前者,但是其广泛存在于自然界和生物体内,来源丰富,并且其结构明确、易于设计,针对它们的研究为非典型发光化合物的机理探索带来了便利。
与NLPs的分类类似,根据发色团种类,非典型发光小分子可以被大致分为如下3类。
(1)含氧非典型发光小分子。如各种单糖(果糖、木糖、半乳糖)和季戊四醇等。
(2)含氮非典型发光小分子。如己醛肟、氨基酸、多肽等。其中尤以含酰胺基团的小分子光物理性质较为优异,如尿素、海因、丙烯酰胺以及各种合成小分子等。
(3)含硫、磷、硼、卤素等非典型发光小分子。如硫脲、半胱氨酸、硼酸衍生物、磷酸衍生物、卤代烷烃等。
4.2.2 非典型发光化合物的发光机理
作为一类新的发光材料,非典型发光化合物的发光机理引起了众多研究人员的兴趣。然而,早期报道的体系通常只是人们的偶然发现。对不同体系的机理理解不尽相同,而即便对同一体系,目前也存在着广泛争议。这使得非典型发光化合物的设计缺乏有效的指导原则。以具有代表性的PAMAM体系为例,人们提出了氧化[357,358]、不饱和羟胺的生成[362]、羰基聚集[363]等机制加以解释。在这些研究中,人们较多地关注了氧化、外围取代基(—OH、—NH2、—COOH)、化合物拓扑结构(线形、支化、树状)、溶液pH等因素的影响,而缺乏不同浓度、不同聚集状态、不同温度条件下的对比研究,从而易导致研究结论片面,往往很快就会被后续研究证明并非如此。对生物分子体系而言,机理争议同样存在。如对L-Lys体系,研究者认为—NH2侧基至关重要[364],而对多肽和蛋白质体系,尽管其结构与PAMAM一样存在大量酰胺键,但Shukla等[365]认为其发光是由于氢键形成,肽键电子沿着氢键骨架离域的结果。
因此,对机理的探索可帮助人们加深对非典型发光化合物光物理过程及其影响因素的认识,揭示现象背后的电子相互作用与电子过程,揭开生物体系自发光的奥秘,同时更有利于指导研究人员发现和开发更多新型发光材料。
2013年,Yuan和Tang等[366]观察到来自大米的蓝色光致发光,并对大米的主要成分淀粉及其类似物纤维素在聚集状态下的光物理性质进行了研究。考虑到淀粉及纤维素中均不含有大型共轭结构,而仅含有羟基、醚键等基团,它们的本征发光应当来自于这些基团的簇聚。原本相互离散的富电子基团在聚集状态下距离减小,当两个富电子原子的间距小于二者范德华半径之和(即d<r1+r2)时,可认为其中产生了电子相互作用,从而实现了电子的共享和电子云的重叠,扩展了共轭和电子离域范围,即形成空间共轭(Through-space conjugation, TSC),诱使能级分裂,降低能隙,从而促进电子跃迁,产生发光(图99 )。
需明确的是,CTE机理所指的“簇”与聚合物或小分子化合物形成的“聚集体”或“粒子”是不同的概念。“簇”指的是多个非典型生色团的分子内或分子间聚集结构,并不仅局限于非典型发光分子的聚集。区别于分子内共轭作用,TSC作用是两个或多个非典型生色团在相互接近时通过电子云重叠共享实现的共轭,不依赖于实际共价键的形成,非共价相互作用在其中起到了重要作用。TSC作用与非典型生色团的种类、数量及其空间相对位置和距离等因素相关。由于参与形成“簇”的非典型生色团种类、数量以及空间共轭程度存在区别,在一个“聚集体”或“粒子”中可能存在很多个相同的“簇”,也可能存在多种不同的“簇”,即不同的发光种。多种发射种的共存,成为设计非典型发光化合物多色可调发光的基础。
簇聚基团作为真正的发光中心,其形成与构象刚硬化对发光至关重要。根据CTE机理,非典型生色团通过分子内/分子间作用力形成具有TSC作用的“簇”是非典型发光物质具有本征发光的根本原因。首先,聚合物或小分子化合物能够采用适当的分子构象实现非典型生色团的TSC作用。一般来说,参与成簇的非典型生色团越多,空间共轭程度越大,荧光发射越强,红移程度越高。其次,广泛存在的分子内/分子间相互作用有助于增强发光团簇的构象刚性化,从而抑制非辐射衰变,促进发光。
4.2.3 非典型发光化合物的光物理性质
非典型发光化合物的核心就是簇,因而其光物理性质也是围绕簇的特性显现的,主要表现为浓度增强发光和条件依赖发光两种现象。
首先,随着簇的逐渐形成与TSC的逐渐增强,从离散态(稀溶液)到聚集态(浓溶液或固体),非典型发光化合物一般会展现出明显的浓度增强发光性质。其次,由于非典型发光化合物中,发色团的簇聚程度不同,因而会产生多种发射种的共存,从而导致显著的激发波长依赖发光,为设计多色可调发光提供了便利。再次,由于不同簇聚种对外界条件响应性存在差异,因而外界环境(如温度、压强、pH等)的变化会引起不同簇聚种的发光贡献变化,从而可以实现非典型发光化合物表观发光的调节及其在传感领域的应用。
4.2.4 非典型发光化合物的光物理性质的调节
由于本身缺乏共轭结构的关系,非典型发光化合物的发光大多集中在波长较短的区域,且量子产率通常较低。因此探索新的具有长波发射和高量子产率的非典型发光物质不仅在理解其发光机理方面有重要意义,还有助于拓展其应用范围。
4.2.4.1 发光波长调节
近年来,在开发具有长波发射的非典型发光化合物方面已经取得了一些进展,多种具有绿色、黄色乃至红色发光的NLPs和非典型发光小分子被报道出来。
Li等[370]报道了在溶液中能发出绿色荧光的磺化丙酮-甲醛缩合物(SAF)和磺化乙二胺-丙酮-甲醛缩合物(SEAF),而且SEAF在固态时甚至能发出黄色荧光。聚合物链内/链间的强氢键和离子键作用对荧光发射的红移具有重要的作用。
Qiao等[373]发现马来酸酐-乙酸乙烯酯交替共聚物(PMV)在强碱中进行酯化反应或直接与强碱反应生成的PMV衍生物能发出从蓝色到红色的多种颜色荧光。强的离子键作用使得团簇的构象变得极为刚性,从而使荧光发射红移和荧光发射增强。最近,他们还对PMV进行水热处理,发现随着水热时间的增加,PMV衍生物的发光颜色由蓝色向黄色转变,最大发射波长可达608 nm,绝对量子产率可达17.05%。
最近,Guo等利用甲基丙烯酸2-(二甲基氨基)乙酯与衣康酸酐在室温下发生开环反应的产物之间的反应生成两性离子化合物,并通过控制两性离子单体的浓度,合成了两种具有不同荧光发射行为的低聚物[377]。其中在高浓度下合成的低聚物的最大发射波长可达712 nm。
Yuan课题组[378]则对具有长波发射和颜色可调的非典型发光小分子进行了一系列研究。通过向具有立体构型的双酸酐CHDA中引入C=C桥键或对其进行氨化生成酰胺,可以选择性地调节其发光行为(图100 )。向其中引入C=C桥键后,增强TSC作用,促进电子离域扩展,可实现发光的红移;将酸酐氨化成为酰胺,引入强氢键,提升构象刚硬化,可实现量子效率的提升。此外,综合两种改性的含桥键双酰胺分子DI随外界压强的变化, 还展现出良好的发光可调性质。另一方面,通过使用不同溶剂培养,他们得到了具有不同发光波长的氧杂酸酐和氧杂酰亚胺同质多晶体[379]。尽管结构差异微小,但少量溶剂分子改变了簇聚体微环境,为设计可调发光提供了一种新思路。
4.2.4.2 发光强度或量子效率调节
提升非典型发光化合物发光强度的核心:一是拓展TSC的范围,促进电子离域;二是利用较强的分子间相互作用,抑制非辐射跃迁途径,从而促进发光。
除了非典型发光小分子,一些研究组发现对NLPs进行后处理,也可以得到增强和红移的发光。Wang等[381]发现将超支化PAMAM进行热氧化处理,其荧光发射随着热氧化时间的增长而逐渐增强并红移。Wang等[382]发现线形高分子聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)在碱性溶液中水解之后的氧化产物会发射很强的荧光,其荧光强度约为原PVP荧光强度的1000倍。Yuan等[383]通过迈克尔加成聚合得到新的非典型荧光聚合物聚硫醚,并将硫醚不同程度氧化,可以得到亚砜(S=O)和砜(O=S=O)基团,促进了氧化后聚合物(聚亚砜和聚砜)的TSC作用,提高了聚合物的量子产率。Zhao等[355]报道了一类基于动态共价交联的新型NLPs——聚羟基氨基甲酸酯。这类聚合物经高温热处理后产生明亮的蓝色荧光,且荧光强度随着加热时间增加而不断增强。他们认为在热处理过程中聚合物链中的氨基甲酸酯基团和羟基之间发生了可逆交换,使得聚合物链间形成动态共价交联,促进氨基甲酸酯基团的簇聚、抑制非辐射衰减,从而产生荧光。Ou等[356]发现对聚丙烯酸(PAA)溶液进行热退火法处理后其荧光发射强度可提高两个数量级以上。
由上可知,开发具有长波发射和高量子产率的非典型发光化合物,主要有以下两种途径。
(1)促进TSC。引入各种富电子非典型生色团,使它们之间更容易发生空间共轭作用,促进电子离域和跃迁。
(2)提升构象刚硬化程度。对于聚合物来说可引入强物理交联作用,对于小分子可以构建强相互作用网络、设计平面结构促进分子堆积等,使非典型生色团形成的发光簇构象刚硬化,抑制非辐射跃迁。
(3)对NLPs进行氧化、交联和部分碳化等处理。可向聚合物中引入新的、更多的非典型生色团,同时还可能引入化学或物理交联作用,促进成簇和刚硬化。
目前,对具有长波发射和高量子效率的非典型发光聚合物和小分子的研究已取得一些进展,随着研究的深入和对发光机理更进一步的理解,越来越多具有优异性能的非典型发光聚合物和小分子将被开发出来,其在各个领域的应用也将得到发展。
5 材料的刺激响应特性
5.1 力致发光变色
目前,已发现有些荧光、磷光、热激活延迟荧光以及长余辉等有机发光材料具有力致发光变色性能。“力致发光变色”的概念与Schönberg等于1958年提出的材料压色性概念不同,压色性指材料受压力作用后颜色发生了改变,本质上是材料的吸收光谱发生了改变,并不涉及发射光谱的改变。众所周知,对于用作检测等用途的材料,其发射光谱比吸收光谱受干扰更小,灵敏度更高,因此力致发光变色材料在应力传感、信息存储、商品防伪和发光器件等领域具有重要的潜在应用前景。
通过力改变分子发光颜色有两种途径:一是通过化学结构的改变;二是通过聚集态结构的改变。前者是材料分子在外力作用下发生了化学反应,即发生旧键的断裂和新键的形成,它本质上是受力前后形成的不同分子所发出的光颜色不同;而后者则是在外力的作用下,材料分子之间的堆砌方式、分子构象或分子间相互作用等发生了改变,从而影响到分子轨道中的电子跃迁能级,导致发光颜色在受力前后的差异。尽管通过化学结构的改变来调节发光颜色是研究工作者最容易想到的方法,但是在固体状态,利用外力刺激来实现分子水平的化学反应是比较难预估的,往往由于固态反应转化率低而使化学反应很难进行。而且在固体状态下,多数化学反应往往是不可逆的,故此类化合物很难被用作以开关方式工作的智能响应材料。因此,截至目前,通过分子的化学结构改变来实现力致发光变色的成功例子非常少。在这些少数成功的例子中,通常是将力致变色发光体引入到高分子的主链或交联网络中,在外力的牵引下,高分子链上的力致变色发光体发生开环反应,例如,螺吡喃(Spiropyran)力致变色发光体在外力作用下变成了部花青(Merocyanine)结构,其共轭结构明显改变而使荧光发光颜色向较长波长发光方向移动,即发射光谱红移(图101 )[385]。但显然,这种力致发光变色的实现方式不仅在合成上难度较大,而且应用范围也非常有限。
图101 哑铃型样条由分子量8万的线型聚丙烯酸甲酯制成,在拉伸应力下,无色螺吡喃结构可能转变成红色的部花青结构,暴露在可见光下可以恢复为原来的螺吡喃结构[385]Fig. 101 Schematic diagram of ‘dog bone' specimens prepared from linear 80 kDa PMA. Upon application of tensile force, a hypothesized conversion between the colourless spiropyran and coloured merocyanine forms of the mechanophore occurs. Exposure to visible light reverses the conversion back to the original spiropyran form[385] |
有机分子在固体状态的发光性质与其分子堆叠方式、构象变化的灵活性以及分子间的相互作用等因素密切相关。所以任何导致上述因素改变的刺激包括外力作用都将影响到电子跃迁的能级,即能隙(ΔEg),从而影响发射光的波长。而且这种分子堆砌方式和构象的改变往往可以通过选择其他的刺激方式如热退火或溶剂诱导等进行恢复,从而实现发射光谱的可逆转变。因此,通过物理聚集状态的改变来实现力致发光变色可能比化学方法更加容易。目前已经报道的基于物理聚集状态改变的力致发光变色材料有染料掺杂聚合物、金属离子配合物和有机小分子化合物等。
例如,2002年,Weder等[386]将苯乙烯腈类衍生物152和153分别掺混到低密度线形聚乙烯(LLDPE)中制成染料掺杂聚合物薄膜,然后对薄膜进行拉伸实验,发现薄膜的荧光发射波长发生了明显的蓝移(图102 )。
但从总体上看,各类已报道的力致发光变色化合物之间没有多大的相关性,基本上属于孤立事件,尚没有规律可以遵循,无法用于力致发光变色化合物分子的设计。而到2010年前后,这类化合物仍然比较少。已报道的这类化合物在数目上还不到一百个,这大大限制了这类材料的应用研究。另外,一般发光材料在稀溶液中具有高的发光效率,但是在高浓度或固体状态由于发生ACQ效应,发光效率大大降低或甚至不发光。因此,一般的发光材料由于ACQ效应很难在固体状态产生力致发光变色现象,这也是导致力致发光变色材料在数量上非常稀少的一个重要原因。
与具有ACQ效应的材料相反,AIE分子在固态展现了高的发光效率。这类材料可以解决上述导致力致发光变色材料稀少的两个问题:可以设想,如果AIE材料具有力致发光变色性能,那么它将非常容易被观察到,因为AIE材料在固体状态发光非常强;另外,AIE分子是可以设计的,如三苯乙烯、TPE、硅杂环戊二烯、DSA、氰基二苯乙烯等均可以作为AIE核心基团用于构建AIE分子,因此,已报道的AIE分子在种类上和数量上已经非常庞大。且从已报道的结果看,绝大多数的AIE化合物对外界的刺激均具有一定的响应,如有机溶剂气氛、热等等。事实上,上述Weder等在2002年报道的力致变色化合物152和153尽管没有被提到是AIE分子,但是从分子结构上看,这显然是非常典型的含氰基二苯乙烯AIE核心基团的一类AIE分子,这类AIE分子被Park等[387]报道。2010年开始,Chi课题组[384]发现大部分的AIE化合物同时具有明显的力致发光变色性能,这个共性的发现使人们认识到AIE材料很可能成为力致发光变色材料的一个重要来源,引发了AIE材料力刺激发光响应研究的热潮。
5.1.1 小分子力致发光变色材料
人们在AIE概念提出之初就已经认识到AIE分子对有机溶剂和热等外界刺激作用表现出发光性能变化等特点。例如,Tang等报道了几种具有在晶态和非晶态之间发光开关特性的AIE化合物,如染料154[388],155[389]和156[390]。沉积在石英板上的染料155的薄膜发出绿光(发光波长508 nm),然而,经过100 ℃热退火5 h后,其荧光发射光谱(PL)蓝移到474 nm,同时还伴随着超过三倍的发光强度的提高。这种现象称为结晶增强发光(CEE)效应或形态依赖发光。Tang等[391]进一步报道了CEE发光化合物156,它在非晶态时发光非常弱,而在晶态时则发光非常强。这种有趣的发光现象可以通过溶剂熏蒸非晶态样品和冷却晶态样品的热熔体实现发光的开关(开关比超过40倍)。2008年,在研究AIE机理的过程中,Tang和Zou等[391]发现,在静压力作用下,化合物154非晶薄膜的发光强度会增强。随着压力的增加,其发光强度迅速增加9%(104 atm压力),但随着压力的进一步增加,其发光强度逐渐下降,这应该是第一次有关力对AIE分子发光强度影响的明确报道。2010年,Park等[392]报道了一种聚集增强发光(AEE)化合物氰基二苯乙烯衍生物(157)的多刺激双色发光开关,其在压力、温度和溶剂气氛的刺激下可以实现蓝色和绿色的双色荧光可逆转换。Park等认为,分子间的C—H…N和C—H…O等氢键让其形成具有双向剪切滑动能力的分子薄片,即亚稳态的绿光的G-相和热力学稳定的蓝光的B-相。
由于G-相的局部偶极是反向平行堆砌的,容易形成激基缔合物的发射,而B-相的局部偶极是采用头尾堆砌的方式,激子相互作用增强,激基缔合物的形成减弱,因而表现为单分子的蓝光发射。然而,当时还没有充分地认识到AIE分子和力刺激发光响应性能之间存在关系。几乎在同一时期,Chi等[393]于2011年合成并报道了一系列基于AIE化合物的力致发光变色(也称为压致荧光变色,PFC)分子,如化合物158,并指出力致发光变色应该是大多数AIE分子的共同特性。Chi等提出这类材料力致发光变色的机理是:AIE分子在结晶状态下具有扭曲的分子构象和松散的堆砌,使得这类分子在外力作用下容易发生聚集态的改变,从而导致分子发光性能的改变。因为这类分子同时具有力致发光变色和AIE性质,所以Chi等当时将这类发光体命名为“压致变色聚集诱导发光(PAIE)化合物”。这个共性的发现,使得力刺激响应有机发光材料变得有规律可循,使其进入飞速发展期。自那时起,大量关于力刺激响应AIE发光体系被陆续报道出来。
2011年,Chi等[394]又报道了一种力致发光变色含锌AIE配合物(159),把力致发光变色现象拓展到了金属配合物。2012年,Su等[395]报道了一种AIE磷光铱(Ⅲ)配合物(160)的力致变色性能,该类材料也被称为力致磷光变色材料。2013年,Xu和Tian等[37]研究了不同压力下AIE化合物161的力致发光变色性能,第一次尝试定量分析力致发光变色与施加压力的关系。针对这个AIE分子,他们提出了压力诱导增强分子间相互作用的机理。2013年,Chi等[396]报道了一种具有多刺激单光子和双光子荧光开关特性的AIE发光体162,把力致发光变色拓展到双光子吸收发射领域。Zhang等[397]于2014年报道了具有CEE活性的红光和近红外荧光分子具有三通道固态荧光开关特性,将力致发光变色AIE发光波长拓展到近红外区域。2015年,Chi等[398⇓~400]报道了一些具有荧光/磷光(163)或荧光/热激活延迟荧光(164, 165)双发射的力刺激响应的AIE发光分子。通过在力刺激下双发射相对强度的变化,获得了从橙色到紫色的发光颜色,并沿直线穿越白光区域,这种现象非常类似于调色板,而调色板至少需要两种颜料才可以调出不同的颜色,但是这种材料只由单一组分就可以实现不同发光颜色的调节。2015年,Tang等[401]报道了长余辉材料或叫超长室温磷光(pRTP)化合物166的力刺激发光响应。2016年,Chi等[402]通过研磨pRTP化合物167发现,除了在紫外灯照射下发射光谱发生变化外,紫外灯关闭后,这个材料的pRTP不再发射,形成双通道力刺激发光响应,如果该材料用于加密防伪,可以实现单组分双重加密防伪功能,大大提高了防伪级别。
二羰基氟硼化合物是一类具有分子内电荷转移(ICT)性质的荧光染料,在固体和溶液状态下均具有强的发光,而TPE是一类构建有机发光材料常用的具有AIE性能的基团。2020年,Yang和Cui等[403]将TPE基团引入到二羰基氟硼染料中得到了化合物168,其四氢呋喃(THF)溶液发光微弱,向其中加水,荧光随着水的加入逐渐增强,表明168具有AIE性能。化合物168由于苯环,二羰基氟硼基团与TPE基团之间的二面角不同,分子间的π-π相互作用、偶极相互作用以及C—H…π和C—H…F的氢键作用导致分子的堆积形态具有一定的差异,在同一溶剂环境中,化合物168可生长出四种不同的晶体,而快速析出则可得到无定形态粉末,从而得到了发光颜色为绿光、黄光、橘光和红光的强发光聚集体(图104 )。进一步研究发现,不同聚集体之间还可以通过外界刺激进行相互转变,如机械研磨、压力、温度、溶剂熏蒸等可以诱导亚稳态的分子构型和堆积形式发生可逆变化,从而实现对单一发色团聚集态的颜色调控及聚集态之间的相互转变。例如,三种晶体在充分研磨后均可变为发光为红色的无定型状态(168-R),而发绿光和橘光的晶体及发红光的无定形态粉末经过溶剂熏蒸或高温处理后可得到发黄光的聚集态,表明晶体168-Y为热力学最稳定状态。值得注意的是,存在明显分子间相互作用的168-G聚集态的发光比相互作用弱的168-Y的发光蓝移(图104 )。理论计算发现,四个不同晶体的荧光均来自于第一激发单重态,168-G中的分子间相互作用使得HOMO轨道变得更加稳定,使得HOMO-LUMO能量差增大,导致蓝移现象;然而,168-O中的分子间相互作用使得LUMO轨道变得更加稳定,使HOMO-LUMO能量差减小,导致红移现象。
图104 (a) 化合物168的分子结构及在不同聚集状态下的发光照片;(b) 外界刺激下不同聚集状态之间相互转化前后的发光照片[403]Fig. 104 (a) Chemical structure of compound 168; normalized emission spectra of 168-G, 168-G0, 168-Y, 168-O and 168-R. lex=420 nm. The fluorescent images of compound 168 in its four polymorphs and one amorphous solid state (microscopy images of 168-G and 168-G0; the photographs of 168-Y, 168-O and 168-R taken under 365 nm UV lamp. (b) Transition among five different aggregates with diverse luminescent colors upon stimuli: 168-G and 168-O crystalline powders can transform into 168-Y crystalline powders by heating or fuming with DCM vapor; all crystalline powders can transform into 168-R aggregates by fully grinding[403] |
5.1.2 聚合物力致发光变色材料
关于AIE聚合物的力致发光变色研究也有所进展,例如,2017年,Chi等[404]报道了AIE聚合物169,该聚合物在力的作用下也能发生发光颜色的改变,发光颜色从研磨前黄色(541 nm)转变成红色(602 nm),最大发光波长红移了61 nm。但由于聚合物分子往往结晶性较差,初始样品需要缓慢沉淀或充分退火,使得样品具有一定的结晶度,经过研磨才能观察到样品比较明显的力致发光变色现象,因此,AIE聚合物的力刺激发光响应的例子报道得比较少。
5.2 力致发光
力致发光(Mechanoluminescence, ML)是指在外力的作用下,物体产生光发射的现象。由于其新颖的发光机制,ML在应力传感、结构探伤、显示、生物成像等领域具有巨大的应用前景。目前,以硫化锌锰、稀土掺杂的铝酸盐等为代表的无机ML材料在发光机制与应用研究方面取得均较大进展。相比之下,有机化合物的ML发光机理较为复杂,缺乏明确的分子设计策略,发展速度相对缓慢。近年来的研究表明,有机化合物在聚集态的分子排列方式、空间构象以及分子之间弱相互作用等会对聚集态的光物理性质造成巨大影响。此外,聚集态分子之间的电子相互作用会增强三线态激子的系间穿越效率,使有机化合物表现出磷光性质。ML也属于聚集态发光现象,因此从分子堆积的角度能够从分子层面揭示更多有机ML的发光特性。本部分将简要总结有机ML的最新进展,分为力致荧光、同质多晶、力致磷光、掺杂型ML和一类特殊的力致发光HOF材料五部分。
5.2.1 力致荧光
受制于较小的SOC效应,荧光是有机化合物最常见的发光方式,由单线态激子的辐射跃迁产生。因此,绝大部分有机ML属于荧光。研究表明,压电效应是有机ML产生的主要原因,统计数据也显示,大部分能产生ML的有机晶体属于压电晶体。也就是说,ML更容易在具有极性空间群的非中心对称晶体中观察到,而非极性空间群晶体往往不能产生ML。2015年,Tang等[4]发现具有AIE性质的有机金属铜配合物在压力作用下能产生明亮的ML,是最早报道的AIE型ML化合物。之后报道的纯有机ML化合物大部分具有AIE性质,这是由于AIE性质避免了聚集态激子湮灭,有利于ML的产生。从分子结构特点上看,有机ML化合物通常会引入含有杂原子的极性基团以增强分子的极性。根据官能团种类,有机ML化合物主要分为羰基类、砜基类、三苯胺类、四苯乙烯类等。此外,由于有机化合物分子结构的复杂性,这样的分类并不严格,多个官能团有可能出现在一个ML分子中。
羰基与砜基是具有中等强度的吸电子能力,通常与含有N原子的电子给体单元连接,是构筑有机发光分子的良好受体单元。近年来,随着对TADF材料研究的深入,羰基与砜基被广泛应用于TADF分子的设计。如图106 所示,由于具有扭曲的分子构象,目前报道的5个含羰基与砜基ML化合物:SPFC[405]、DEAC-DPS[406]、mono-DMACDPS[407]、DBT-BZ-DMAC[408]与FCO-CzS[409]同时具有AIE、TADF与ML性质,ML光谱与分子的PL光谱基本重合,ML亮度极高,在日光下也能清晰可见。从分子堆积的角度,这些化合物都具有非对称的晶体结构与非常紧密的分子排列。如DEAC-DPS,其甲基、丙基、丁基与戊基吖啶取代的类似物均无ML,只有乙基取代产物具有ML性质,表明ML与分子结构密切相关。对于FCO-CzS,在含水量为99%的Water/THF溶液中(图106 b)表现出黄色荧光与AIE性质。由于吩噻嗪在研磨过程中产生了平面构象(Quasi-equatorial)到垂直构象(Quasi-axial)的转变,ML光谱中蓝光逐渐减弱,黄光逐渐增强(图106 c)。相应地,ML颜色从蓝光变为白光,最后变为黄光(图106 d)。
图106 (a) SPFC、DEAC-DPS、mono-DMACDPS与DBT-BZ-DMAC的分子结构。(b) FCO-CzS的分子结构与在Water/THF溶剂中的发光强度。FCO-CzS随着研磨时间增长的ML光谱(c)与ML照片(d)[409]Fig. 106 (a) Molecular structures of SPFC, DEAC-DPS, mono-DMACDPS and DBT-BZ-DMAC. (b) The emission intensity of FCO-CzS in mixture solution of Water/THF; (c) ML spectra and (d) ML photos of FCO-CzS as the increase in grinding time[409] |
此外,Chi等[410]利用柔性的吩噻嗪基团和刚性的吩口恶嗪基团构筑不对称分子,设计合成了首例具有发色团选择性表达性能的柔性有机发光分子DOS(170),通过不同条件可培养出最大发射波长从469到583 nm的10种不同发光颜色的晶体,发光颜色覆盖整个可见光区域。吩口恶嗪主导发光的donor-O组晶体表现出高能发射、TADF特性、力致发光特性和力致发光变色红移等性能,吩噻嗪主导发光的donor-S组晶体表现出低能发射、室温磷光特性、无力致发光特性和力致发光变色蓝移等性能(图107 )。由此,他们利用DOS多重刺激响应发光的特点,探索了其在VOCs检测、多彩动态显示和传感等领域的应用。
三苯胺是经典的电子给体,给电子性能较强,进一步连接芳香基团后能在分子内产生较大的偶极矩,增强分子的极性,非常有利于ML的产生。Li等[411]报道了一系列基于三苯胺的ML化合物。如图108 a所示,三苯胺连接电子受体苯甲醛基后分子极性进一步增强,醛基也能有效增强分子间氢键相互作用。所得产物TPA-1BA具有极性的Pca21空间群,发出较强的绿色荧光,ML亮度较高,在日光下也能观察到(图108 b)。卤素原子的引入也能增强分子之间的相互作用,如TPA-CHO-2R (R=F, Cl, Br)[412],将三苯胺直接与醛基和卤素原子相连,三个化合物具有对称的Pbca与非对称的Pc、Pc空间群,均能产生较强的ML。在三苯胺中引入极性基团甲氧基,苯基取代基的对位与间位引入卤素原子的产物TPA-pR和TPA-mR (R=F, Cl, Br)也都产生了ML性质[413]。其中,TPA-pF具有中心对称空间群P21/c1,其ML较为微弱,而其他5个化合物均为非对称空间群C1c1,ML强度显著增大(图108 c),能产生深蓝色ML。这些结果也表明分子空间群对ML性质的重要影响。
图108 (a) 化合物TPA-1BA、TPA-pR、TPA-mR、TPA-CHO-2R(R=F, Cl, Br)的分子结构。(b) TPA-1BA的ML光谱与日光、黑暗环境下的ML照片[411]。(c) TPA-mF、TPA-mCl、TPA-pCl、TPA-mBr和TPA-pBr的ML照片[413]Fig. 108 (a) Molecular structures of TPA-1BA,TPA-pR,TPA-mR,TPA-CHO-2R (R=F, Cl, Br). (b) ML spectrum and photos of TPA-1BA under daylight and dark[411]. (c) ML photos of TPA-mF, TPA-mCl, TPA-pCl, TPA-mBr and TPA-pBr[413] |
TPE是典型的AIE化合物,分子中四个苯环围绕中心乙烯基形成极为扭曲的空间构象,有效抑制聚集态分子之间的紧密π-π堆积,增强固态发光效率。向TPE引入极性基团能增加TPE衍生物的分子极性,增强分子之间的相互作用,形成紧密堆积。目前,大量的TPE衍生物被发现具有ML性质。例如,向TPE中引入醛基[414]、氨基[415]、酯基[416]、甲氧基[417]、炔基[418]、菲并咪唑[418]、氰基[419]等均能产生ML。其中一些化合物则较为特殊,具有独特的分子结构与电子性质。例如:Z-BFBM-TPE在TPE的顺式位置分别引入了两个甲氧基与F取代基,增强了分子的偶极矩与极性,因此具有ML性质,而相应的反式取代物E-BFBM-TPE偶极较小,无ML性质。含杂原子的基团通常被引入以增强分子的极性,而TETPE则是一个纯碳氢化合物并且具有中心对称的空间群C2,通过形成炔基的方式提高取代基的电荷密度与端基氢原子的正电性,从而提高了分子之间的电荷相互作用与氢键相互作用,产生ML。DMPBPTZ则更为特殊,分子中心的B—N与C=C键互为等电子体,因此也带有C=C键的性质。DMPBPTZ具有显著的AIE性质,电子给体与受体的连接方式使分子形成极性的非对称排列,从而产生ML性质[420]。tPE-2-Th与tPE-3-Th[421]也是TPE结构的变体,不对称的分子结构赋予这两个化合物较好的不对称性,而噻吩基团的引入增强了给电子性能与分子极性,产生紧密的分子排列与ML性质。
5.2.2 同质多晶
同质多晶现象在有机化合物中较为常见,但对于ML现象则较为特殊,这是由于产生ML的化合物具有相同的分子结构,仅仅是晶体中的分子排列方式不同,对于揭示ML的发光机理有重要意义。已经发现的ML同质多晶化合物同样符合ML晶型的判断,即极性空间群晶体更容易产生ML,具有更加紧密的分子排列,非极性空间群晶体往往无法产生ML。如图110 a所示,TPE被引入醛基噻吩基团后,得到具有两个同质多晶的化合物P4TA,两个晶体均为非中心极型的P(2)1空间群,块状的Cb晶体发出蓝色荧光,柱状的Cg晶体发出绿色荧光,但只有Cg晶体能够产生明亮的绿色ML[422]。两种晶体还能够发生晶相转变,Cb相晶体经二氯甲烷熏蒸后能够转变为Cg相(Cbf),表现出ML性质。向TPE基团引入4个甲氧基后,得到同样具有两个同质多晶的TMPE[423]。其中,具有极性P21(c)空间群的块状Cp晶体发出420 nm荧光,而非极性C2空间群的柱状Cc晶体荧光发射峰位于429 nm。只有Cp晶体能够产生明亮的深蓝色ML,而Cc晶体则无法产生。单晶结构分析表明极性的Cp晶体具有更强的分子间C—H…π与C—H…O等氢键作用,导致更加紧密的分子堆积作用,分子间的滑移被刚性的晶体结构阻断,ML更容易产生。TPE结构变体tPE-5-MeTh也具有同质多晶现象[424],仅有非中心对称的P1相晶体能产生ML,而中心对称的P2相晶体无法产生ML。还有一些同质多晶中两个晶体则都具有ML性质,ML光谱取决于晶体的发光光谱。如图110 b所示,CDpP具有B与G两种晶相[425],CDpP-B的发光与ML均为蓝色,而CDpP-G均为绿色;TBIM[426]的两个晶相中,TBIMG的荧光与ML均为蓝光, 而TBIMG的荧光则为绿色。TPA-o-3COOMe则表现出更为奇特的性质,中心对称的晶相A表现出RTP现象但无ML性质,而非中心对称的晶相B则相反,其无法产生RTP,但能产生很强的ML(图110 c),同质多晶不同的光物理性质与其晶体中分子排列方式呈现出紧密的联系[427]。
图110 (a) P4TA[422]、TMPE[423]、tPE5-MeTh[424]的分子结构与同质多晶的晶相照片与ML光谱;ML-Cbf为Cb相经二氯甲烷熏蒸后ML光谱。(b) CDpP[425]与TBIM[426]分子结构与不同晶相与ML照片。(c) TPA-o-3COOMe分子结构与不同晶相分子排列方式与磷光寿命曲线、晶相B的ML照片与光谱[427]Fig. 110 (a) Molecular structures of P4TA[422], TMPE[423], tPE5-MeTh[424] and corresponding polymorphism photos, ML spectra; ML-Cbf refers to Cb phase crystal after fuming by dichloromethane. (b) Molecular structures, polymorphism and ML photos of CDpP[425] and TBIM[426]. (c) Molecular structure, molecular arrangement in polymorphism, time-resolved RTP spectra, ML spectrum and photos of TPA-o-3COOMe[427] |
5.2.3 力致磷光
一般而言,有机化合物的SOC系数很小,并且三线态激子易被分子振动与氧气等猝灭,导致室温下有机化合物难以产生磷光。然而,近期的研究表明RTP现象普遍存在于固态有机化合物中。当有机化合物同时具备产生RTP与ML性能时,ML可能带有磷光性质。事实上,1974年,Zink等[428]首次报道了邻苯二甲酸酐与苊的磷光ML现象,ML光谱由荧光与磷光构成。近期,陆续有磷光ML化合物被报道。如图111 a所示,DPP-BO[429]、CX[430]、CzS-C2 与BrFlu-CBr[427]均表现出荧光与磷光双重ML现象,甚至在停止力刺激后仍能观察到长寿命磷光ML。以DPP-BO与CzS-C2H5为例(图111 b, c),它们的ML光谱都含有荧光与磷光成分,磷光性质依赖于晶态分子的紧密堆积,但由于磷光寿命较短,力刺激停止后无法观察到磷光。2018年,Chi等[431]报道了具有更加显著的磷光性质的ML化合物。如图111 d所示,邻苯二甲酰亚胺衍生物ImF与ImBr具有极性的分子结构与非中心对称空间群,都具有RTP与ML性质。ImF的RTP寿命较短(τ=35.3 ms),而ImBr的RTP寿命较长(τ=102.1 ms)。因此,ImF与PL的光谱相似,ImBr则较为奇特,受到力刺激后,ML由荧光转变为荧光-磷光双重发光,停止力激发后的ML并未消失,而是形成长余辉发光。因此,ImBr在应力作用下,应力接触点呈现蓝色ML,而接触过位置的ML呈黄色的带状余晖,并且能持续约1 s。
图111 (a) 化合物DPP-BO、CX、CzS-C2H5与Br-Flu-CBr分子结构。(b) DPP-BO和(c) CzS-C2H5的PL与ML光谱与ML照片[429]。(d) 化合物ImF与ImBr的分子结构、ML照片与ImBr在紫外灯下的RTP现象[431]Fig. 111 (a) Molecular structures of DPP-BO, CX, CzS-C2H5 and Br-Flu-CBr. ML and PL spectra and ML photos of DPP-BO (b) and CzS-C2 (c). (d) Molecular structure, RTP and ML photos of ImF and ImBr[431] |
5.2.4 掺杂型ML
杂质对晶体的光物理性质具有特殊的影响,往往微量的杂质就能影响甚至改变晶体的微观晶相与发光性质。从发光机制上看,由于浓度较低,有机晶体中的杂质并不能在力的作用下直接发光,然而却可以通过FRET的方式使杂质成为晶体的发光中心,呈现杂质的发光特性。实际上,目前报道的无机ML体系几乎全部由掺杂型复合材料组成,如铜或者锰掺杂的硫化锌(ZnS:Cu, ZnS:Mn)、稀土元素掺杂的陶瓷材料(SrAl2O4:Eu,Dy)等,它们的ML性质几乎完全取决于掺杂物的性质。而对于有机ML化合物,由于缺少系统性的分子设计策略,ML分子的种类偏少,高亮度ML分子较为稀少,发光颜色不够丰富,不利于ML的实际应用。但掺杂的方法能有效解决这种困境,通过主体ML激发客体荧光分子能得到颜色丰富的ML。例如,咔唑衍生物Cz-alkyl-6[432]与NPC[433]能产生深蓝色的ML(图112 a),ML光谱与部分有机荧光化合物的吸收光谱有所重叠,能够作为激发源激发有机分子发光。这两个化合物在融化后可以作为非极性溶剂很好地溶解有机化合物,在掺入蓝光、绿光、黄光、红光等荧光分子后产生相应颜色的ML,并且ML光谱与PL光谱吻合,成功得到各种颜色的高亮度ML。2019年,Tang等[347]制备了一种更加有趣的主客体掺杂物。如图112 b所示,主体材料PCP、PA与DCB具有ML与RTP性质,当主体与客体分子NA以1%的比例掺杂后,均能产生黄色的RTP。更加有趣的是,受到力刺激后,掺杂物除了能产生即时的深蓝色ML外,还能产生长寿命的延迟黄色ML,表现出独特的力刺激长寿命磷光ML。
图112 (a) 化合物Cz-alkyl-6[432]与NPC[433]的分子结构,掺杂荧光客体分子后的ML光谱。(b) 主体PCP、PA与DCB,客体NA的分子结构[37],受到力刺激后的即时与延迟ML照片[347]Fig. 112 (a) Molecular structure of Cz-alkyl-6[432], NPC[433], and ML spectra of them when doped with fluorescent dopant. (b) Molecular structures of host of PCP, PA, and DCB, guest of NA, ML photos of flash ML and delayed ML[347] |
5.2.5 力致发光HOF材料
近年来,一类新兴的多孔材料,即氢键有机框架(Hydrogen-bonded organic frameworks,HOFs)受到了越来越多的关注。HOFs是由有机单元通过氢键相互连接所构建的多孔材料[410]。HOFs具有很多内在的优点,如低成本、易纯化、易再生、较好的水稳定性和热稳定性等[434]。因此,HOFs在气体储存/分离、质子传导、分子识别、光学等领域都具有广阔的应用前景[435]。2017年,Chi等[436]设计合成基于硝基取代的TPE衍生物TPE4N(171),并以此构建了HOF结构,其单晶结构中含有两种不同大小的孔洞,尺寸分别为5.855 Å×5.855 Å(α孔)和7.218 Å×7.218 Å(β孔)。在α孔中含有可以自由旋转的硝基苯基团,激发态能量以无辐射跃迁形式耗散,因此其晶体几乎不发光。当通过研磨晶体或将晶体冷却至77 K来抑制HOF结构中的分子内苯环旋转时,其晶体发光可以得到大幅度增强。通过退火或溶剂熏蒸重建该HOF结构后,其发光可以再次猝灭(图113 )。
该研究结果不仅获得了可力刺激响应的HOF结构,而且很直观地解释了AIE的机理,具有重要的学术价值。2018年,Tang等[437]也在研究中发现,TPE4N(171)晶体受力前后发光强度的变化具有对比度高、灵敏度高、可逆性好以及响应速度快等特点,将其应用于信息存储和触觉传感,用拇指按压其薄膜,触摸区域的荧光立即被“点亮”,产生肉眼可见的指纹图案。
2020年,Hisaki等[438]报道了一例基于TPE衍生物172的三轴编织HOF结构。通过研磨可以得到黄光发射的无定型样品172-amorph,其最大发射波长从477 nm红移至547 nm,荧光量子产率从21.6%增大至55.5%,他们认为这是由于低密度的框架结构坍塌后,分子排列紧密,芳香基团的转动被抑制。
在前述化合物TPE4N(171)的基础上增加苯环,Chi等[439]设计合成了TPE-4pn(173)并提出了具有永久性多孔的超高柔性HOFs的概念,对其性能及其可能的应用领域进行了探索。在不同的外界刺激下,通过分子构象和组装方式的调整,形成的HOF结构可以在大尺寸孔结构、小尺寸孔结构和无孔结构之间进行多重可逆性结构转变,包括形状记忆行为和单晶-单晶转变行为,以及在机械力刺激下实现可逆性结构和发光颜色转变(图115 )。
Chi等[440]成功制备出了首个具有力致发光性质的HOF化合物TPE-4PCOM (174)。并在进一步研究中发现,其分子中,乙酰苯基团不仅可以作为氢键受体,而且在其HOF结构的力致发光现象中起着至关重要的作用。在外界刺激下,TPE基团中的苯环与乙酰苯基团的苯环可以围绕C—C单键发生旋转,导致乙酰苯基团中甲基和氧原子的相对位置发生变化。进而在分子174中,乙酰苯基团中的氧原子相对于乙烯双键平面的朝向会发生改变。乙酰苯基团的不同旋转角度会对分子174的偶极矩产生较大的影响,进而会对其超分子偶极矩产生极大的影响。当乙酰苯基团中氧原子的朝向趋于一致时,其框架结构的超分子偶极矩急剧增大,使其在外力刺激下可产生强大的电场, 有利于在HOFs中实现力致发光性能。二氯甲烷可以特异性地让乙酰苯基团中氧原子的朝向趋于一致,诱导力致发光效应,他们把这种现象称作客体诱导呼吸效应伴随力致发光活性可控行为(图116 )。
而后,Chi等[441]把上述乙酰基改成苯酚基团,设计合成了X形分子TPE-4PhOH(175)。研究发现,分子175可作为分子编织过程的原材料,周围分子可以通过羟基之间的O—H…O氢键组装为环状或链状的聚集体。当每个X形的分子175与相邻两个分子通过四对分子间O—H…O氢键相互连接时,可以形成有菱形孔洞的一维长链。不同方向长链上的分子175可以插入这些菱形的孔洞,相互交织形成互锁模式,从而获得首例通过一维长链互锁而构建的编织HOF结构(图117 )。在不同溶剂中进行分子编织得到的HOF结构具有不同结构与性能。在机械力作用下,2D-90和2D-82的晶体结构被破坏,并逐渐转变为无定型态,分子间相互作用被破坏,激发态可以弛豫至更低的能级,从而导致无定型态样品的发光红移,并红移至黄光区域。当分别用EA和MeOH熏蒸研磨样品后,无定型态又可以转变为各自的结晶态。
有机框架结构除了HOF以外,还有金属有机框架MOF和共价有机框架COF等,基于MOF结构的力刺激发光响应,也有一些报道。例如,Su等[442]报道的配体分子172与锆离子形成的MOF结构,在力的作用可以产生单光子、双光子和三光子吸收发光。
5.3 一些其他的刺激响应特性
除了在力致变色和力致发光材料方面的研究,研究人员还报道了一些具有其他刺激响应性的发光材料。例如,He等在2018年利用分子堆积效应(图118 ),通过控制ISC过程为高性能On-Off机械响应发光材料提出了一种新的设计策略。将硝基引入到扭曲的AIE分子中来促进有效的ISC过程。理论计算表明,扭转角和硝基苯基的数量是调节ISC过程的关键因素。机械刺激会影响分子的构象,在不同的发光开-关转换时产生不同的固态形态,实验证明了高对比度和灵敏的开关MRL性能以及可逆性和快速响应行为,为纯有机室温磷光材料在光学信息存储和触觉传感器的应用提供了可能[437]。
图118 通过控制系统间交叉来制定MRL材料的策略。(a) 通过控制硝基苯基化AIEgens的系统间交叉来提出高灵敏度On-Off MRL材料的机制。标尺:100 μm。(b) 硝基苯的最低单重激发态(S1)和三重激发态(T4)的自然跃迁轨道。由于El-Sayed规则表明,当自旋轨道耦合混合自旋和电子配置不同的两种状态时,多重性变化变得非常有效,因此T4是系统间交叉过程中的密室和良好的“接收器状态”,它决定了超快通过有利的1(n,π*)到3(π,π*)通道消耗S1。(c) 典型AIEgens的扭曲晶体结构:三苯胺(TPA)和四苯乙烯(TPE)。(d) 这里研究的硝基TPA和硝基TPE的分子结构[437]Fig. 118 Strategies for MRL materials by controlling intersystem crossing. (a) Proposed mechanism of highly sensitive On-Off MRL materials by controlling intersystem crossing of nitrophenylated AIEgens. Scale: 100 μm. (b) Nature transition orbitals of the lowest singlet excited state (S1) and triplet excited state (T4) of nitrobenzene. Since El-Sayed's rule states that the multiplicity change becomes highly efficient when the spin-orbit coupling mixes two states differing in both spin and electronic configuration, T4 is the closet and a good “receiver state” in the intersystem crossing process which determines the ultrafast S1 depletion through an favored1(n,π*) to3(π,π*) channel. (c) Twisted crystal structures of typical AIEgens: triphenylamine (TPA) and tetraphenyethylene (TPE). (d) Molecular structures of nitro-TPAs and nitro-TPEs studied here[437] |
此外,He等[443]在2021年报道了一种新型的光响应型发光材料(PRL),该材料在固体状态下具有可逆构象和荧光开关特性(图119 )。TPE-4N有趣的发光特性可通过快速光触发和热退火进行可逆调控。微小的分子构象变化可归因于相应的PRL性质,其中晶体态和非晶态分别赋予了高效和弱ISC过程来开启和关闭发射。不同固态的晶体、粉末和薄膜表现出可观的光响应行为,因为光刺激是非接触和非破坏性的,所以其具有高对比度、快速响应、良好的持久性和可逆性等优点。此外,优异的薄膜质量和高性能的PRL行为,使其可以应用于隐形防伪和微分辨率的动态光学数据存储。
图119 (a) TPE-4N的光敏和热敏机制示意图。(b) 在紫外线照射5 min之前(左)和之后(右)的单晶显微照片。照片是在明场(顶部)和330~385 nm的紫外线通道(底部)下拍摄的。紫外线照射的功率密度为80 mW·cm-2。(c) 在不同刺激下切换TPE-4N粉末的发光:(Ⅰ) 150 ℃加热 5 min;(Ⅱ) 紫外线照射5 min;(Ⅲ) 丙酮熏蒸30 s;(Ⅳ) 研磨;荧光照片由手持相机在365 nm紫外灯下拍摄。(d) TPE-4N粉末在不同刺激下的PL光谱。紫外线照射的功率密度为 50 mW·cm-2[443]Fig. 119 (a) Illustration of the photo- and thermoresponsive mechanism of TPE-4N. (b) Microscopy photos of single crystal before (left) and after (right) UV irradiation for 5 min. The photos are taken under bright field (top) and UV channel of 330~385 nm (bottom). The power density of UV irradiation is 80 mW·cm-2. (c) Switching the luminescence of TPE-4N powders under different stimulus: (Ⅰ) heating at 150 ℃ for 5 min; (Ⅱ) UV irradiation for 5 min; (Ⅲ) fuming with acetone for 30 s; (Ⅳ) grinding; The fluorescence photos were taken by a handheld camera under 365 nm UV lamp. (d) PL spectra of TPE-4N powders under different stimulus. The power density of UV irradiation is 50 mW·cm-2[443] |
6 AIE材料的应用
AIE材料可以充分利用分子的自然聚集,通过限制分子内运动进而抑制激发态的非辐射耗散,因其较高的聚集态发光效率,已被广泛应用于光电器件、化学传感和生物检测与成像等各个前沿交叉领域。
6.1 AIE在复合材料无机相分散度评价中的应用
解决这一问题,实现AIE分子的设计合成及其对无机相的有效修饰,是通过荧光成像实现无机相分散度表征的关键。
6.1.1 无机相分散度三维荧光成像及定性评价
分散在有机聚合物中的无机相通常表面呈亲水性,为了使其能有效分散在有机聚合物中,常通过表面活性剂对其进行疏水改性[459,460]。原理上,荧光表面活性剂可直接修饰无机相,实现无机相的有机改性并使其具有较强的荧光,进而通过荧光成像技术评价有机-无机复合材料中无机相的分散度。Lu等[461]通过设计合成具有AIE性质的阴离子表面活性剂四苯乙烯-十二烷基磺酸钠(TPE-SDS)及阳离子表面活性剂四苯乙烯-十二烷基三甲基溴化铵(TPE-DTAB),有效实现了这一目标(图120 )。他们首先研究了TPE-SDS表面活性剂分子间的自组装过程,结果表明,在不同离子强度下,合成的AIE表面活性剂会自聚集成不同形貌的组装体,这些组装体的荧光不仅不会猝灭,反而增强。而后又通过共聚焦荧光成像技术捕捉到了组装体的形貌信息,结果与常规原位小角度X射线散射技术监测胶束聚集体从球形到蠕虫状转变过程完全一致。这些结果证明了AIE分子的成功合成及其在材料固态表征荧光成像的可行性。
此外,他们还利用合成的AIE表面活性剂TPE-DTAB修饰层状纳米填料蒙脱土(MMT)。通过对比MMT修饰前后X射线衍射(XRD)图、红外光谱图以及电势的变化,可以看出TPE-DTAB已成功修饰MMT(图121 )。荧光光谱分析表明,MMT粉末不具有任何荧光,但是经过TPE-DTAB修饰后的MMT具有强烈的青色荧光,发射波长在490 nm左右,与原TPE-DTAB发射波长一致。同时因TPE-DTAB/TPE-SDS分子具有表面活性剂分子的特性,修饰的水滑石或MMT在石油醚溶剂中分散良好,表现出良好的疏水性。这说明AIE表面活性剂实现了对层状纳米材料的有机改性和荧光标记。
他们还将AIE表面活性剂改性的MMT与聚氯乙烯混合,制备成有机-无机复合材料,并采用透射电子显微镜和荧光成像技术对层状纳米填料的分散性进行观测。很明显,透射电子显微镜图片的观测范围仅局限于几个微米;相比而言,荧光成像技术的观测范围可达到几百微米,能够对层状纳米填料的分散水平进行全面的评价。更重要的是,荧光成像可以快速无损地进行断层扫描,观察到有机-无机复合材料中MMT的三维分散度:在同一位置、不同z轴深度上采集了30幅x、y二维平面内的图像,并利用这30幅图像进行三维重组获得了TPE-DTAB改性的MMT在有机基体聚氯乙烯中的三维空间分布图(图122 )。该成像图尺寸达到600 μm×600 μm,能够在介观尺度上观察蒙脱土在聚氯乙烯中的真实分散状态。
前面所述的成像技术是基于无机材料在被添加到有机基质之前,对其进行了预修饰。为了推广对聚合物基质中填料的可视化评价,Lu等进一步发展了“后染定位识别”方法:在复合材料制膜过程中不引入荧光分子,仅在成像评价时对填料进行荧光标记。该方法主要采用分子靶向识别技术,基于探针分子与目标分子之间的特异性结合,在保持目标分子原有特性的条件下,实现目标分子的原位识别。
他们还尝试将质量比为5%的LDHs分散于聚乙烯(PE)中,经热压制得PE-LDHs复合材料,并将该复合材料置于TPEDB溶液中进行染色。通过CLSM观察,添加了LDHs无机相的复合材料中呈现出大量的青色荧光斑点,而未添加LDHs的PE经染色后并未观察到此荧光现象。为了证明该方法的准确性,他们利用静电作用使用量子点(QDs)对LDHs进行了前染处理,制得PE-5%(QD@LDH)复合材料;然后将该复合材料置于TPEDB溶液中进行染色,通过CLSM双通道分别采集两种荧光分子的成像图。如图124 所示,被QDs前染的LDHs呈现红色荧光,而经TPEDB后染的LDHs在PE复合材料中呈现青色荧光。而将这两幅图像重叠后发现染色点几乎完全重合。由此可见,开发的AIE分子后染识别可以实现对复合材料中LDHs的准确定位。该技术不仅操作简单,而且仅在聚合物成像中引入探针分子,不影响聚合物的制备过程及性能,实现了在无损状态下对聚合物中无机相的原位识别和可视化分析。
6.1.2 无机相分散度三维荧光成像及定量评价
上述工作为无机填料分散度的定性分析提供了一种可靠的方法。为了更进一步实现复合材料中无机相分散度的定量分析,基于CLSM技术进行三维成像,并对成像分析进行进一步的计算模拟,可以通过无机相分散的概率分析以及粒子间距计算对复合材料中无机相的分散度进行三维定量分析,为复合材料构效关系研究提供基础。
Lu等[465]对AIE表面活性剂改性的层状纳米填料在PVC中的分散度3D宏观荧光图像进行数据挖掘(图125 ),利用3D图像分析软件获取水滑石填料的3D信息,并采用质心点替代形状不规则的无机相。首先采用皮尔逊卡方检验方法对分散的无机相进行统计学评价,得到检验统计量χ2,χ2值越小说明无机相分散越均匀。其次,对样品进行了二维平面密度的分析,将质心点分别投影到各个二维坐标系中(XY平面,YZ平面以及XZ平面)。对于分散绝对均匀的样品而言,其质心点出现在二维坐标平面中的任意一个位置的密度是相同的,因此越接近于该假设,其无机相分散越均匀。最后进行一维数值特征评价,将质心点投影到一维坐标系(X轴和Y轴)来评价蒙脱土的分散度,引入一个无量纲参数,相关系数CV,其值为标准偏差(SV)与平均值(MV)的比值,分别计算出X轴、Y轴和Z轴所对应的CV、SV以及MV值,其CV和SV值通常用来表示数据的波动幅度,数值越小,则波动幅度越小,分散越均匀。基于此,对不同的复合材料规定了优、良、中、差四个分散度等级,实现了对其三维分散度的定量评价。
进一步地,通过评价三维空间中相邻两个粒子间的距离,有望实现对复合材料构效关系的研究[466]。在构筑的PE-LDHs复合材料中,随着LDHs含量从0.4%增加到1.6%时,LDHs无机相粒子平均空间间距由16.2 μm减小到7.8 μm,且分散也逐渐趋向均匀;但当LDHs的含量超过1.6%时,其平均空间间距出现异常增大的现象,这主要是因为体系中的LDHs出现了团聚,使得其间距变大,分布变宽(图126 )。而复合材料力学性能与无机相粒子的平均空间间距变化一致,呈现先增强后减弱的趋势。由此可见无机相粒子的平均空间间距越小,分散越均匀,其宏观性能越好。该方法的建立为定量分析复合材料结构与性能的关系提供了有力支持。
6.2 AIE材料用于有机电致发光二极管
有机发光二极管(OLEDs)是基于有机半导体的发光器件,由于具有平面发光、材料来源丰富、颜色可调、超薄、光线柔和、大面积和柔性可弯曲等特性,被认为是新一代显示和照明材料,在显示、照明、可穿戴设备、医疗检测和可见光通信等方面显示了巨大的应用前景[467]。为了满足应用要求,需要OLEDs具有高效率、长寿命和低成本的基本特性,其中材料起着非常重要的作用。迄今为止,人们已经开发出了三代有机发光材料:第一代荧光、第二代磷光和第三代热活化延迟荧光材料体系。含有贵金属的磷光材料虽然具有100%激子利用率的高效率特点,但其昂贵的价格和蓝光磷光材料寿命短的问题限制了其应用。热活化延迟荧光材料(TADF)虽然具有低成本和高效率的优点,但高亮度下的效率滚降和稳定性问题一直没有得到很好的解决。相比较来说,荧光材料虽然受自旋统计理论的限制显示了低效率,但长寿命、低成本的独特优点使其仍是最具应用价值的材料体系。特别是近年来,随着新原理的提出及其相关材料的成功合成,荧光有机发光材料的效率已经突破了25%单线态激子发射的理论极限,通过三线态激子到单线态激子的有效转换,在荧光有机发光材料中同样可以实现近100%的激子利用率,为荧光有机发光材料的OLEDs应用提出了新的希望。
OLEDs的电致发光通常包括载流子注入、载流子传输、载流子复合形成激子以及激子的辐射衰减发光四个过程,因此器件的外量子效率ηext(或EQE)可以写成:
其中,ηint是内量子效率,ηout是输出耦合效率,γ是电子和空穴的平衡因子,χST是每单位电荷形成的激子数(单线态和三线态),ηPL是材料薄膜的荧光量子效率。可以看到,器件的效率不但需要材料要有高效激子利用率的特性,实现100%的激子发射,也需要材料在薄膜状态下有高的荧光量子效率。由于存在浓度猝效应,传统的荧光有机发光材料在薄膜状态下往往表现出低的荧光量子效率,即使掺杂在主体材料中也无法得到完全解决,同时也大大增加了器件制备的工艺难度以及相分离带来的稳定性问题。由于AIE材料在固态薄膜状态下表现出了近100%量子效率的高效发光特性,其作为非掺杂发光层制备出了高效率OLEDs,很好地解决了浓度猝灭问题,显示了巨大的应用前景。
本部分首先对用AIE材料制备的荧光OLEDs进行了介绍,而后根据高效电致发光机制讨论了四种高效率的AIE发光器件,最后介绍了AIE材料在白光OLEDs的最新研究结果,以展示AIE材料的多功能性及广阔的应用前景。
6.2.1 基于AIE材料的OLEDs
基于噻咯衍生物的AIEgens的OLEDs应用研究开始较早。早在报道噻咯衍生物的AIE现象时,Tang等[468]就已经进行过非掺杂OLEDs器件制备的探索,其器件结构为ITO/CuPc/TPD/MPPS/Alq3/LiF/Al,最大亮度、功率效率(PE)和电流效率(CE)分别达到9234 cd·m-2、12.6 lm·W-1和12 cd·A-1。除了独特的AIE性质之外,噻咯衍生物通常还具有良好的电子传输性能,原因是其σ*-π*共轭特性[469]。2005年,Liu和Zhu等[470]测得一些噻咯衍生物的电子迁移率(μe)约为10-6 cm2·V-1·s-1,这与典型的电子传输材料Alq3的迁移率相仿。因此,噻咯衍生物通常还可以在OLEDs器件中充当发光、传输双功能材料的角色。比如,Zhao等[471]在噻咯的2,5-位点修饰苯并咪唑和菲并咪唑基得到了一系列n型AIE材料,μe高达10-4 cm2·V-1·s-1,表现出优异的电子传输能力。他们利用这些n型AIE材料同时用于OLEDs器件中的电子传输和发光,制备了结构简单的双有机功能层OLEDs,最大CE、PE和EQE达13.30 cd·A-1、14.51 lm·W-1和4.25%,效率与含有单独电子传输层的传统OLEDs器件接近。
相比噻咯衍生物而言,基于TPE衍生物的AIEgens的化学合成更简单,因此受到很多研究人员的青睐。研究者们以TPE或三苯基乙烯(TriPE)为核心,通过选择不同性质的取代基实现对TPE衍生物的性质进行调控[472]。早在2007年,Tang等[473]利用McMurry反应制备了TPE及TPE-2Ph,并观察到它们的AIE现象。TPE和TPE-2Ph在聚集态(四氢呋喃/水混合溶液,水体积分数fw=90 vol%)下的ФF分别达到50%和90%。它们的非掺杂OLEDs器件的性能差异较大,基于TPE的非掺杂OLED最大亮度只有1800 cd·m-2,最大EQE仅为0.4%;而基于TPE-2Ph的非掺杂OLED最大亮度和最高EQE提高至10680 cd·m-2和2.56%。
为了进一步探究基于TPE的AIE分子的结构-性能关系,Tang等[474]提出了“点石成金”的分子设计思路,将4个具有AIE特性的TPE基团修饰在典型的ACQ分子芘上,开发了一个新型蓝光材料TTPEPy。由于在ACQ分子中引入AIE基团,TTPEPy表现出AEE的性质,其在溶液态下和粉末固态下的荧光量子产率分别为9.5%和70%,且热稳定性良好,适于制备蒸镀型的非掺杂OLEDs器件。通过优化器件结构,实现了较高的电致发光器件效率,最大CE、PE和EQE分别达到12.3 cd·A-1、7.5 lm·W-1和4.95%,相比之前的工作有了明显提高。进一步,他们以噻吩和苯并噻二唑基团修饰TPE,得到了从蓝光到红光发射的四个分子(BTPE、BTPETTD、BTPETD和BTPEBTTD)[475]。基于这些分子制备了非掺杂OLEDs器件,其结构为ITO/NPB (60 nm)/emitter (20 nm)/TPBi (10 nm)/Alq3 (30 nm)/LiF (1 nm)/Al (100 nm),其中基于BTPETTD的橙红光非掺杂器件的最大电致发光效率达到6.4 cd·A-1和3.1%。
利用不同基团对TPE进行修饰,除了能改变材料的光物理性质外,还能调控材料的电学性能。比如,Zhao等[476]在TPE中引入二苯胺基和二米基硼基元来构筑“D-A”型分子结构,得到了TPE-NB和TPE-PNPB两个分子。其中,TPE-PNPB具有优异的空穴传输性能,在器件中可以同时作为发光层和空穴传输层,最大器件效率达16.2 cd·A-1、14.4 lm·W-1和5.35%。随后,他们也沿用类似的思路制备了二米基硼-TPE衍生物,通过调节二米基硼和TPE之间的苯环数量,得到TPE-DB、TPE-BPDB和TPE-TPDB[477]。这些分子都具有良好的电子传输能力,其中将TPE-DB同时用于OLEDs器件中的电子传输和发光过程,得到了最大EQE为4.6%的绿色双层器件。与之相似,利用苯并咪唑也可以实现n型AIE材料的制备[478],绿光双层OLEDs器件的最大亮度超过100 000 cd·m-2,最大效率达到5.8%、14.6 lm·W-1和16.8 cd·A-1。
6.2.2 高激子利用率的AIE-OLEDs
虽然上述基于噻咯和TPE的AIE材料在固态下已经具有非常高的荧光量子产率,但其电致发光器件的效率仍然不够理想,EQE最高只有5%左右。这是由于在OLEDs器件中,空穴和电子注入到发光层中会产生25%的单线态激子和75%的三线态激子。其中,三线态激子的辐射跃迁通常是自旋禁阻的,传统AIE材料在OLEDs器件中的激子利用率仅为25%。所以,提高AIE材料在OLEDs器件的激子利用率是进一步优化AIE-OLEDs效率的关键。
通常,研究者们利用具有三线态-三线态湮灭(Triplet-triplet annihilation, TTA)、杂化局域和电荷转移态(Hybridized local and charge-transfer, HLCT)、热活化延迟荧光(Thermally activated delayed fluorescence, TADF)、磷光发射等特性的新型发光材料来提高OLEDs器件的激子利用率,使器件最大EQE达到20%~30%,优于传统荧光材料。
(1)基于AIE-TTA材料的OLEDs
相比于传统的荧光OLED,具有TTA特性的发光材料构筑的OLED具有长的器件使用寿命和相对高的器件效率,其被认为是突破纯荧光OLED器件效率理论极限5%的绝佳方法[479]。但是,由于严格的能级要求,因此高的TTA上转换效率仅限于某些特殊材料,如蒽衍生物和红荧烯。然而,由于这些材料的ACQ效应,其往往需要被掺入适当的主体材料中。但是对于掺杂器件而言,很难通过控制TTA工艺来获得高性能的蓝光OLED。更重要的是,掺杂器件使得器件制备过程更加复杂。因此,开发具有高效固态发光的蒽类化合物对于构筑高性能非掺杂蓝光TTA-OLED是非常有利的。将具有AIE特性的PAH化合物与TTA功能相互结合是实现高器件效率的一个有效方法。根据AIE分子设计理念,扭曲结构的三苯胺被用于修饰ACQ分子,从而实现了新型的AIEgens的制备[4]。此外,Konishi等[480]证明,当供体平面扭曲时,二芳基胺和蒽的前线轨道会相互垂直,同时,具有相对正交方向的分子轨道之间的转变也可能会促进3(TT)至S1的转化过程。
基于上述分析,Qin等[481]设计合成了两个化合物:TPA-An-Ph和TPA-An-mPhCz。三苯胺和咔唑基团可以促进器件的空穴传输,进而提高器件的性能;间位取代策略可以实现化合物高的发光效率。由于TPA-An-Ph和TPA-Ph-mPhCz具有AIE特性,其在薄膜状态下展现了高的光致发光量子效率。因为其高的固态发光效率和优异的热稳定性,可以使用它们作为发光层制备非掺杂OLEDs。TPA-An-Ph基非掺杂OLED的最大外量子效率(EQE)为4.51%。而TPA-An-mPhCz基非掺杂OLED的最大EQE为8.10%,器件效率提高将近一倍。TTA+AIEgens策略为构建高效非掺杂蓝光OLED提供了一个新的平台(图128 )。
图128 (a) 蒽衍生物的化学结构;(b) TPA-An-Ph和TPA-An-mPhCz基非掺杂器件在不同亮度下的电流效率和外量子效率;(c) 蓝光发光材料的设计原理[481]Fig. 128 (a) Chemical structures of the anthracene derivatives; (b) CE and EQE versus luminance curves of the non-doped OLEDs based on the AIEgens TPA-An-Ph and TPA-An-mPhCz; (c) Design principle of the blue emitters[481] |
(2)基于AIE-HLCT材料的OLEDs
将AIEgens赋予HLCT过程也是突破荧光材料激子利用率的一种思路。HLCT材料的激子同时具备局域(Locally excited, LE)态和电荷转移(Charge transfer, CT)态激子的特性。其中,LE态的特性能保证材料高的发光效率,而CT态特性则有利于实现高能态的反向系间窜越(Tn→Sn)过程,进而提高激子利用率。比如,Wang等[482]利用菲并咪唑(PPI)基、氰基和TPE基元构筑了6个AIE-HLCT蓝光分子,并通过改变分子中氰基与TPE基元的位点来调控分子中CT态和LE态的成分。分子中TPE基元的存在赋予了这些材料明显的AIE性质,使得这些材料在固态下都表现出高的荧光量子效率,进而得到了最大亮度、EQE、CE、PE分别为31 070 cd·m-2、7.16%、18.46 cd·A-1和16.32 lm·W-1的非掺杂天蓝光OLEDs器件,电生激子利用率达到48%,效率滚降较低。他们还利用PPI基、萘并噻二唑基和三苯胺基元构筑了红光到近红外发射的AIE-HLCT材料(TNZPPI、TNZtPPI和TNZ2tPPI),并在此基础上制备了非掺杂/掺杂OLEDs,最大EQE达到2.48%/6.83%,最大电生激子利用率超过80%,这说明了AIE-HLCT设计思路的有效性[483]。
从目前报道的研究发现,AIE材料特别适合蓝光发射,用AIE材料作为发光层制备的非掺杂蓝光OLEDs显示了高效率和低效率滚降的电致发光特性,器件效率基本都超过了5%的理论极限,最好的器件效率甚至达到了8.5%[484],充分展示了AIE作为OLEDs材料的潜在应用价值。为了揭示AIE材料高效电致发光的物理机制,Ma和Tang等[485]通过磁电致发光测量,结合理论计算和瞬态荧光(PL)光谱对一种蓝光AIE分子简称TPB-AC进行了深入研究。TPB-AC分子的结构如图129 所示,该材料薄膜的荧光量子效率高达98.4%,三线态能级为2.48 eV,发射波长为448 nm,激子寿命为3.25 ns,为典型的AIE分子。用纯TPB-AC作为发光层制备的多层OLEDs,通过优化电子传输层,最大外量子效率EQE达到了7.0%,在1000 cd·m-2亮度下仍保持6.3%,显示了极低的效率滚降特性,色度坐标CIE为(0.15,0.08),为很好的深蓝光发射。图130 显示了TPB-AC分子的水平取向特性。可以看到,该分子具有良好的分子取向(达到了79%),这大大有助于提高器件的光输出耦合效率,也是器件效率高的主要原因之一。
更有趣的是,TPB-AC蓝光OLEDs显示了一个非常特殊的磁电致发光(MEL)特性(图131 ),MEL强度随磁场先增加后降低,并且在高磁场下的斜率不随偏执电流而改变,完全不同于传统荧光OLEDs,也排除了TTA过程,预示着新的电致发光机制。
很显然,TPB-AC蓝光OLEDs一定产生了额外激子过程,使更多的三线态激子转移给了单线态激子,从而提高了器件效率,也导致了这种特殊的MEL线形。为了探究这种额外激子的来源,他们对TPB-AC分子的能级进行了计算,如图132 所示。可以看到,类似传统荧光分子,TPB-AC的T1比S1低0.37 eV,有效抑制了从T1到S1的反系间穿越(RISC)过程。然而,TPB-AC的T2高且非常接近S1,很容易形成从T2到S1的RISC,实现了有效的Dexter能量传递,使三线态激子参与到了单线态激子的发光,从T2到S1的有效RISC过程也从TPB-AC薄膜的瞬态荧光衰减特性和TPB-AC蓝光OLEDs在不同温度下的MEL特性测量得到了进一步证明[485]。这意味着,TPB-AC高效电致发光的物理本质是由于T2上的热激子过程,这也为杂化局域与电荷转移(HLCT)发光原理的有效性提供了新的依据。
进一步研究发现,相对于S1的激发三线态Tn(n≥2)的位置对激子的转换起着决定性作用,从而影响器件的效率。图133 给出了两个AIE蓝光分子CN-TPB-TPA和TPBzC1的分子结构及其作为发光层制备的蓝光OLEDs的EQE和MEL特性。虽然CN-TPB-TPA在薄膜下的荧光量子效率(93.2%)低于TPBzC1(99.9%),但可以看到,CN-TPB-TPA器件的最大EQE达到了8.5%,几乎是TPBzC1器件效率4.5%的二倍,相应地它们也表现了完全不同的MEL特性,高效率CN-TPB-TPA器件同样显示了先增加后降低的MEL线形,而低效率TPBzC1器件则显示了通常的正洛伦兹MEL线形,表明两个器件中激子转换效率的不同。为了揭示造成这种巨大差别的物理原因,同样对两个AIE分子的能级进行了计算,如图134 所示。两个分子显示了不同的能级结构,CN-TPB-TPA的S1位于T2和T3之间,而PBzC1的S1位于T3和T4之间。有研究表明,激发三线态Tn上的激子通常有从Tn到Sn的RISC、从Tn到 的内转换(IC)和非辐射跃迁三个动力学过程,而根据Kasha规则,随着n值的增大,从Tn到 的IC速率迅速增加[13],这势必抑制了从Tn到Sn的RISC过程,造成了较大的激子损耗。可以看到,PBzC1的三线态激子是从较高的T4能级而来的,显然这个跃迁效率是非常低的,激子无法得到有效利用,使器件显示了低的效率。因此,设计AIE材料时,必须考虑激发三线态能级的相对位置,这也应该是高效AIE材料分子设计的基本原则。
图133 (a) CN-TPB-TPA和TPBzC1的分子结构;(b) CN-TPB-TPA和TPBzC1蓝光OLEDs的EQE-亮度特性;(c) CN-TPB-TPA和TPBzC1蓝光OLEDs在15 mA/cm2电流密度下的MEL响应特性[484]Fig. 133 (a) Chemical structures of CN-TPB-TPA and TPBCzC1; (b) EQE versus luminance characteristics for CN-TPB-TPA- and TPBCzC1-based blue OLEDs; (c) MEL responses of CN-TPB-TPA- and TPBCzC1-based blue OLEDs measured at the current density of 15 mA/c |
然而,从能级图可以看到,CN-TPB-TPA分子仍然存在从S1和Tn到 的激子能量损耗,为了进一步提高器件的效率,也证明的确存在这样的能量损耗,Ma等进一步设计了CN-TPB-TPA/mCBP:DMPPP/CN-TPB-TPA/mCBP:DMPPP交替发光层结构OLEDs,器件结构及其能级和激子传递过程分别如图135 a, b所示,其中DMPPP是一种TTA上转换材料,其低的T1能级可以很好地接收从CN-TPB-TPA的T2和T1上的激子,并通过其TTA上转换特性最终把损耗的激子再传递给CN-TPB-TPA,使损耗的激子得到了进一步利用。可以看到,该器件的发光仍源于CN-TPB-TPA(图135 c),但其效率得到了显著提高,最大EQE达到了10.2%(图135 d),这无疑为高效AIE材料的设计与合成提供了新的思路。
图135 (a) 基于CN-TPB-TPA设计的多层蓝光OLEDs结构与能级;(b) 发光层中的激子传递过程;(c) 单发光层和多发光层OLEDs的归一化电致发光光谱;(d) 单发光层和多发光层OLEDs的EQE-亮度特性[484]Fig. 135 (a) Energy level diagram of the designed multilayer OLEDs based on CN-TPB-TPA; (b) exciton transfer process in emission layer; (c) normalized EL spectra of the fabricated OLEDs with single- and multi-emission layers; (d) EQE versus the luminance characteristics of the fabricated OLEDs with single- and multi-emission layers[484] |
(3)基于AIE-TADF材料的OLEDs
为了进一步开发AIE-TADF体系的发光材料,Zhao等[408]以不对称D-A-D'结构为设计思路展开新材料的开发。该设计策略能拓展材料种类的多样性,从而对发光分子的光学和电学性能进行调控。其中,DBT-BZ-DMAC是一个典型的例子,该分子中的二甲基吖啶基(DMAC)与苯甲酰基构筑了扭曲的D-A结构,赋予分子AIE和TADF特性;在分子另一侧的二苯并噻吩基则可能有利于提高分子的载流子传输性能。基于DBP-BZ-DMAC的非掺杂OLEDs器件的最大CE、PE、EQE分别达到43.3 cd·A-1、35.7 lm·W-1和14.2%,在1000 cd·m-2亮度下的效率滚降只有0.46%。他们将DMAC基元以PXZ和PTZ基元替代,得到了另外两个AIE-TADF特性的分子(DBT-BZ-PXZ与DBT-BZ-PTZ),制备的非掺杂器件的最大EQE也能达到9.7%,远超传统荧光OLEDs器件的理论效率[490]。
Zhao等[491]还尝试在分子结构中引入咔唑类取代基,合成了CP-BP-PXZ、CP-BP-PTZ和CP-BP-DMAC。这三个分子的荧光量子产率在溶液状态下仅为2.2%~18.2%,而在薄膜状态下增加至45.3%~67.4%,表现出典型的AEE特性。他们还发现这些分子在溶液中发光弱、荧光寿命较短(纳秒级),而在聚集态下发光显著增强并表现出显著的延迟荧光现象,并将这种现象称为聚集诱导延迟荧光(Aggregation-induced delayed fluorescence, AIDF)(图136 )。他们利用这些AIDF分子制备非掺杂OLEDs器件,实现了59.1 cd·A-1、65.7 lm·W-1和18.4%的高效率,并且在1000 cd·m-2亮度下几乎没有效率滚降。
通过进一步的功能团修饰,可以赋予AIDF材料不同的光物理特性。比如,在CP-BP-PXZ的不同取代位点上引入氯原子来促进材料的RISC过程,可以将非掺杂AIDF-OLEDs的性能提高至76.6 cd·A-1、75.2 lm·W-1和21.7%,掺杂AIDF-OLEDs的性能提高至100.1 cd·A-1、104.8 lm·W-1和29.1%[492]。又如,在AIDF材料结构中引入主体材料(如mCP、CBP等),制备的非掺杂OLEDs器件的性能有了进一步突破,达到69.0~72.9 cd·A-1、75.0~81.8 lm·W-1和21.4~22.6%的水平[493]。这些AIDF-OLEDs器件都表现出卓越的综合和性能,在宽广的亮度范围内表现稳定。
Zhao等[494]在研究基于芴的AIDF材料DMF-BP-PXZ、DPF-BP-PXZ和SBF-BP-PXZ时,利用纳秒瞬态吸收光谱证实了这些分子的AIDF现象的产生是内转换过程被抑制而ISC过程增强的结果(图137 )。这些材料在非掺杂和掺杂OLEDs器件中都表现出优良的性能,最大EQE分别达到14.3%和19.4%,1000 cd·m-2亮度下的效率滚降小于10%。他们随之开发了结构类似的三个分子,DMF-BP-DMAC、DPF-BP-DMAC和SBF-BP-DMAC[495,496]。这些材料的固态量子产率有进一步的提高,制备的非掺杂和掺杂OLEDs器件分别实现了20.1%和24.5%的高效率。其中SBF-BP-DMAC还能作为磷光主体制备橙光磷光器件和暖白光器件,EQE分别高达26.8%和21%。
Zhao等[497]还开发出一类以占吨酮为电子受体,以二甲基吖啶和二苯基吖啶为电子给体的发光材料BDMAC-XT和BDPAC-XT,占吨酮中的氧桥联结构能够提高分子的刚性,从而提高材料的固态薄膜发光量子产率,同时这些分子具有显著的AIDF特性。基于BDMAC-XT制备的非掺杂器件的最大亮度高达117 900 cd·m-2,最大CE、PE和EQE可达74 cd·A-1、67 lm·W-1和21%,该器件的外量子效率从最大值到亮度为1000 cd·m-2的效率滚降为0%。此外,这两种材料还能够作为主体制备高效率的橙光(Ir(tptpy)2acac)和红光(Ir(piq)2acac)磷光OLED器件。其最大CE、PE、EQE分别高达80 cd·A-1、105 lm·W-1、25%和86 cd·A-1、101 lm·W-1、26%,1000 cd·m-2亮度时的效率滚降低至3.8%。
此外,Zhao等[498]基于羰基和10-氢-螺[吖-9,9'-芴]制备出了一种具有AIDF特性的天蓝色发光材料DCB-BP-SFAC,非掺和掺杂的器件最大EQE分别为14.8%和23.5%,并且基于改材料制备的全荧光SEL-WOLED的发光效率分别为47.1 cd·A-1、46.2 lm·W-1和19.1%。以上工作表明,AIDF材料不仅可以作为客体发光材料制备高性能OLED器件,而且可以作为主体材料,有效抑制电致发光猝灭,制备出高性能荧光或磷光OLED器件。
具有TADF的AIE材料的设计和开发也逐渐吸引了众多学者的兴趣(图138 )。Yang等[501]基于TADF材料DMAC-DPS,开发了两种蓝光分子o-ACSO2和m-ACSO2。o-ACSO2和m-ACSO2不仅同时具备AIE和TADF性质,还有良好的溶解性,这使得它们能用溶液加工的方式制备非掺杂天蓝光OLEDs器件,峰值电致发光效率达到37.9 cd·A-1、23.8 lm·W-1和17.2%。他们还利用萘啶或氰基萘啶作为电子受体,合成了具有AIE和TADF性质的黄绿光材料ND-AC和红光材料CND-AC,制备的掺杂器件效率达到58.1 cd·A-1、50.7 lm·W-1和16.8%,非掺杂OLEDs最大效率则达到38.5 cd·A-1、30.2 lm·W-1和12.0%[502]。
Choi等[503]首先合成了具有AIE-TADF特性的分子BPCP,再将BPCP与主体材料结构通过非共轭的方式连接起来,得到了新型分子BPCP-2CPC。BPCP-2CPC与BPCP的光色相似,前者表现出更高的薄膜荧光量子产率,说明其聚集态下的非辐射跃迁通道被很好地抑制。利用溶液加工法制备了BPCP-2CPC的非掺杂OLED器件,CE和EQE达到40 cd·A-1和13.4%,比基于BPCP的OLED器件(CE/EQE=22.3 cd·A-1/7.46%)更高。
Chi等[506]基于二苯砜受体、咔唑给体和吩噻嗪给体开发了具有不对称结构的绿光AIE-TADF材料4,4-CzSPz。通过简单的OLEDs器件结构制备了非掺杂和掺杂器件,CE/PE/EQE分别高达61.2 cd·A-1/38.4 lm·W-1/20.7%。他们进一步合成了4,4-CzSPz的一种异构体2Cz-DPS,这两个化合物的光物理性质较为相似。基于2Cz-DPS的非掺杂OLED器件表现出卓越的效率(CE/PE/EQE=82.3 cd·A-1/51.8 lm·W-1/28.7%),但高亮度下效率稳定性仍有待提高(EQE=8.4%@300 cd·m-2)。
Tong等[507]开发的TADF分子TAT-BP和TAT-2BP也同样具备AIE特性。TAT-2BP的溶液加工非掺杂OLED启动电压低至2.5 V,峰值电致发光效率为32.3 cd·A-1、33.0 lm·W-1和9.8%。He等[508]利用结构扭曲的联苯二酰亚胺类基元作为电子受体制备了BPI-PhPXZ和BPI-PhDMAC,并同时观测到TADF和AIE性质,由此制备的掺杂器件的EQE高达18.1%。You等[349]基于N-(4-(叔丁基)苯基)-1,1'-联苯-2,2'-二羧酰亚胺(BPI)七元环电子受体构筑了AIDF分子DMAC-BPI,并制备了结构简单的非掺杂OLEDs器件,最大PE和EQE高达59.7 lm·W-1和24.7%。综上所述,将AIE材料的高固态量子产率与TADF材料的高激子利用率进行有机结合,是一种明智的分子结构设计策略。
Wang等[509]以六芳基苯为核,制备了同时具有AIDF和TSCT效应的Ac3TRZ3和TAc3TRZ3,以此为发光层制备的溶液加工非掺器件最大EQE达到3.5%,同时,掺杂器件最大EQE达到14.2%。
由于其在光数据储存、3D显示等方面的潜在应用,圆偏振发光OLED器件(CP-OLEDs)吸引了学术界的众多关注。Tang等[510]将具有圆偏振特性的基团和AIDF结合,制备了四个分子S-BN-CF、S-BN-CCB、S-BN-DCB和S-BN-AF。基于上述器件所制备的器件均具有圆偏振特性,并且最大EQE达到了9.3%。该工作为制备高效率CP-OLEDs提供了新思路。
不难看出,高效率AIE-OLEDs的研究正在逐渐趋于完善。然而,要想真正使AIE-OLEDs从实验室走向实用,关于器件工作寿命方面深入的、系统性的研究仍然亟待进行。
(4)基于AIE-Ph材料的OLEDs
对于一些含贵金属(如铂、铱)的有机配合物,其分子内的金属原子和有机配体的相互作用可以产生突出的自旋轨道耦合(SOC)效应,可以导致最低单线态S1与最低三线态T1的系间窜越(ISC)过程,并实现三线态激子的辐射跃迁,产生磷光。Zhou和Wu等[511]将AIE材料的设计思想应用于磷光材料的开发中,发展了一系列铂配合物AIPE材料,基于溶液加工的工艺制备的OLEDs器件EQE/CE/PE高达28.4%/75.9 cd·A-1/62.7 lm·W-1[505];他们在此基础上,通过分子工程来调控材料发光光色,得到了红色和绿色发射的AIPE材料,EQE分别达到4.8%和25.2%。Lee等[512]也报道了基于铱配合物的深红光AIPE材料,并制备了高掺杂浓度的溶液加工OLEDs器件,最大EQE超过7%。
研究表明,AIE材料也可以作为良好的磷光主体制备高效率、低滚降磷光OLEDs。Ma等[56]通过掺杂Ir(ppy)2(acac)、Ir(tptpy)2(acac)和Ir(dmdpprdmp) 2(divm)在AIE材料TPB-AC中作为发光层,成功地制备出了高效率红、橙、绿光磷光OLEDs,器件的电致发光光谱和效率特性如图139 a,b所示, 红、橙、绿光器件的EQE效率分别达到了26.1%、27.3%和21.0%,在1000 cd·m-2亮度下仍高达24.1%、25.9%和19.5%,这对磷光OLEDs来说是极高的器件效率。可以看到,用TPB-AC作为磷光主体材料制备磷光OLEDs,不仅降低了工作电压,提高了效率,而且大大改善了器件在高亮度下的效率滚降,充分展示了AIE材料作为主体的优越性能,也拓展了AIE材料的应用。
6.2.3 基于AIE材料的白光OLEDs
由于AIE材料高效的蓝光发射特性和其良好的主体特性,用AIE材料制备的荧光/磷光混合型白光OLEDs也被成功地开发出来。用AIE材料同时作为蓝光发光和磷光主体来制备荧光/磷光混合型白光OLEDs,不但可以消除发光层中界面势垒积累的电荷引起的激子猝灭问题,改善器件的效率和效率滚降,也大大简化了器件结构,具有重要的实际应用价值。Ma等[56]采用TPB-AC作为蓝光荧光发光层,红、橙、绿磷光铱配合物掺杂TPB-AC主体作为长波长磷光发光层,利用无间隔层的多层器件结构设计,成功地制备出了高效率两色和四色荧光/磷光混合型白光OLEDs,器件结构和电致发光性能如图140 所示。结果显示,两色光器件光谱明显来源于TPB-AC的蓝光发射和Ir(tptpy)2(acac)的橙光发射,显示了很好的暖白光特性,最大功率效率(PE)和EQE分别达到了99.9 lm·W-1和25.6%,在1000 cd·m-2亮度下仍维持72.1 lm·W-1和22.1%,达到了荧光灯的水平;四色器件也显示了良好的综合性能,光谱覆盖了整个可见光波长,显示指数超过了90,最大PE和EQE分别达到了60.7 lm·W-1和25.3%,在1000 cd·m-2亮度下仍可达43.5 lm·W-1和21.3%,这是目前报道的综合性能最好的荧光/磷光混合型白光OLEDs。
Ma等还用蓝光TPB-AC和一种绿光AIE材料CP-BP-PXZ分别作为蓝光和绿光荧光发光层,一种红光磷光Ir(dmppr-mp)2(divm)掺杂TCTA主体为红光磷光发光层,设计制备出了结构更简单的三色荧光/磷光混合型白光OLEDs[513]。其中,CP-BP-PXZ是具有延迟荧光发光特性的AIE材料,理论上可以实现100%激子发光,器件的发光层结构和电致发光性能如图141 所示。该器件显示了综合性能良好的电致发光特性,开启电压低至2.4 V,最大PE和EQE分别达到了50.5 lm·W-1和20.5%,在1000 cd·m-2亮度下保持32.9 lm·W-1和18.9%。特别是器件表现了稳定的光谱特性,在整个亮度范围内,其显色指数CRI均达到了90以上,最大可达93。结果说明,用AIE材料可以制备结构更简单的高性能白光OLEDs。
图141 用TPB-AC蓝光和CP-BP-PXZ绿光AIE材料制备的三色荧光/磷光混合型白光OLEDs的PE-EQE-亮度特性(a)和在不同亮度下的归一化电致发光光谱(b)。插图给出了发光层结构[513]Fig. 141 (a) PE-EQE-luminance characteristics and (b) normalized EL spectra at different luminance of the resulting fluorescence/phosphorescence white OLEDs based on TPB-AC as blue emitter and CP-BP-PXZ as green emitter[513] |
6.3 AIE材料在生物领域的应用
AIE化合物是一类新型的有机发光材料,成功克服了传统荧光染料在生物应用过程中ACQ效应的局限,大大提高了检测灵敏度和成像光稳定性,有利于荧光成像。此外,AIE材料还被证实具有卓越的ROS产生能力,在荧光成像指导的PDT领域已有广泛应用[514]。这是由于聚集态下的激发态能量除发光外,还可以流向系间窜越通道,产生ROS。此外,与单分子状态相比,聚集状态下的分子具有更好的单线态(S1)和三线态(T1)能量匹配,单线态到三线态的能极差(ΔEST)更小,有利于激子能量由单线态向三线态转移,促进ISC速率,进而提升ROS产生效率,表现出聚集诱导活性氧产生增强(AIG-ROS)的特性[515]。除了基于聚集态下分子内运动受限用以荧光成像指导的PDT外,通过主动促进其在聚集态下的分子内运动,AIE材料还能够被开发成为具有优良光热转换性能的光热试剂,实现高效的光声成像(Photoacoustic imaging,PAI)指导的光热治疗(Photothermal therapy,PTT)[516,517]。进一步地,得益于分子结构中丰富的可运动基团,AIE材料可以成为平衡能量耗散的绝佳模板。通过合理的分子设计,调控分子在聚集状态下的分子内运动程度,实现辐射与非辐射跃迁之间的平衡以最大化地利用激发态能量,AIE材料还能够被开发成为多功能光诊疗剂,实现多模态成像指导的协同治疗[518]。
得益于其良好的生物安全性、优异的光学性质(聚集态量子产率高、发光波长可调、Stokes位移大、光稳定好)、出色的光敏性能、独特的单分子多功能性以及易于合成和功能化修饰等优势,AIE材料近年来在生物领域大放光彩,并取得了突破性进展[518]。本部分主要从AIE荧光探针的设计及生物检测与成像,以及AIE材料的生物诊疗两个大方面概括和总结了AIE材料在生物领域的最新进展。
6.3.1 AIE荧光探针的设计及其用于生物检测与成像
在过去的几十年间,荧光探针被广泛用于细胞、组织和动物的生物成像以及监测复杂环境中的多种生物过程。研究人员利用荧光探针实现了对病灶部位和细胞的直接可视化[519]。尽管传统的荧光分子已得到大量开发和广泛应用,但其荧光往往在高浓度下减弱或猝灭,从而限制了它们的实际应用[520,521]。如前所述,与ACQ效应相反,具有AIE特性的分子在单分子状态下呈现弱荧光,而在聚集状态下,由于分子内运动/旋转的限制机制则能发射出明亮荧光。此外,这些分子还具有一些明显的光学优势,包括低背景、长期跟踪能力、强的抗光漂白能力等。因此,利用AIE分子设计荧光探针用于生物靶标的检测和生物样品的成像等方面成为了当前的研究热点。本部分主要列举并阐述了几种AIE荧光探针和其在生物检测和成像领域的工作。
6.3.1.1 基于模块化多肽的AIE探针
多肽通常是由20个天然氨基酸和一些非标准氨基酸组成,在生物功能中起着非常重要的作用[522]。多样化的氨基酸原料及其差异化的组合方式排列,可赋予多肽不同的生理活性,如组织靶向[523⇓~525]、膜穿透[526⇓⇓⇓~530]、内涵体逃逸[531⇓⇓~534]、细胞转运[535]、核定位[536,537]等。将这些具有不同功能的短肽作为功能模块修饰基于AIE的荧光探针(Modular peptides based AIE probes,MPAPs),可使荧光探针具有良好的生物相容性、优异的生物降解性、良好的生物活性和丰富的多样性等[538⇓⇓⇓~542],同时引入多肽还可以提高AIE分子的亲水性,有利于其在生物医学领域的应用。模块化的多肽可以通过氨基酸侧基上的特定活性基团和不同的AIE分子共价连接,如氨基和羧基的酰胺缩合反应、炔基和叠氮的点击化学反应、巯基和马来酰亚胺的迈克尔加成反应等[543,544]。选择适当的连接方法可避免复杂的化学合成,同时提高模块化设计的效率,具有重要化学意义。
本部分根据AIE分子在探针中扮演的不同角色,分为成像和治疗两部分进行介绍和讨论。
(1)作为成像示踪制剂
为了准确靶向目标细胞并定位于细胞核,实现肿瘤细胞的长效低毒示踪,Lou等[548]设计合成了一种“T”型探针TCNTP(图142 )。该探针由功能多肽(TCNT)和荧光成像剂(PyTPE)通过亚铜催化的叠氮和炔烃点击反应共价连接所得。TCNT由四个模块组成,包括与氨基肽酶N(CD13)具有高度亲和力的靶向环肽(cNGR)、细胞穿膜肽(CPP)、核定位信号肽(NLS)和能与整合素αvβ3选择性相互作用的靶向肽(RGD)。在功能多肽的协助下,TCNTP探针能选择性地靶向整合素αvβ3和CD13均过表达的A375细胞的细胞核,并呈现出强烈的黄色荧光。此外,在第5个培养周期后被TCNTP染色的细胞仍有78%,而常用的商业核染料(Hoechst33258)仅剩2%。实验结果表明,模块化的TCNTP探针不仅可以精确靶向特定细胞系,将生物分子运输到细胞核,而且可以实现长效追踪运输。
类似地,为了追踪肿瘤治疗过程中抗癌药物阿霉素(DOX)的递送路径,Lou等[549]设计报道了DOX-FCPPs-PyTPE探针。如图143 所示,该探针是由化疗药物(DOX)、细胞穿膜肽(CPP)、基质金属蛋白酶-2(MMP-2)响应多肽(LGLAG)和荧光成像分子(PyTPE)共价结合。在肿瘤细胞微环境中,高表达的MMP-2能特异性识别并裂解LGLAG肽,从而释放DOX和PyTPE模块。DOX固有的红色荧光和PyTPE的黄色荧光,可以追踪探针在MCF-7细胞(MMP-2高表达)中的传递过程。三维图谱进一步证实,在与探针共孵育2 h后,在MCF-7细胞的细胞核内可观察到DOX的红色荧光。
随后,为了追踪基因治疗中反义寡核苷酸(ASO)的递送过程,Lou等构建了TNCP多肽探针用于高效负载,同时追踪治疗基因ASO[550]。该探针是由整合素靶向肽、核定位信号肽和细胞穿膜肽组成阳离子多肽与疏水性的PyTPE共价合成(图144 )。TNCP通过静电相互作用和负电性的ASO自组装形成纳米复合物。共聚焦显微镜实验显示,该纳米复合物与细胞共培养5 min内,即可在细胞膜上观察到PyTPE的黄色荧光,并能持续150 min以上,显示了其优异的实时和长期成像性能。然后,她们利用Cy5标记的ASO(ASO-Cy5),研究细胞中ASO-Cy5与TNCP的相关系数。结果表明,在孵育1 h内,细胞质内出现红色和黄色荧光,在孵育4~12 h内,细胞核内荧光逐渐增强。然而,荧光重叠水平从4 h的85.7%下降到12 h的73.8%,这表明ASO-Cy5和TNCP的细胞内解体行为。借助于多肽的功能模块,TNCP探针展示出显著的生物相容性和特异性细胞核成像能力,同时证实了多肽结构在基因传递中的重要作用。
除了靶向肽、酶响应肽等常见的多肽功能模块外,一些具有化学反应能力的多肽结构也引起了研究者们极大的兴趣。受启发于酪氨酸在过氧化氢(H2O2)和髓过氧化物酶(MPO)作用下交联的过程,Lou等[142]开发了一种由AIE分子TPE和双酪氨酸(Tyr)模块组成TPE-Tyr(TT)探针。TT探针能够被H2O2和MPO激活,通过酪氨酸键交联形成TT寡聚物,TPE模块分子内运动受限,从而产生强烈的蓝色荧光。利用TT探针区分细胞内H2O2和MPO水平的能力,可以对炎症细胞进行选择性成像和抑制,从而实现对炎症细胞的早期检测和及时干预治疗。
(2)作为成像治疗制剂
除了明显的光学成像优势外,通过合理的分子设计和结构优化,AIE分子近期也被赋予了另一项性能。某些AIE分子可在聚集状态下表现出很强的光敏能力,即能在光照条件下产生高毒性的ROS物质。因此,基于AIE分子的光敏剂也可在癌症治疗、细菌杀灭等方面显示出良好的前景。
通常将多种治疗制剂整合,利用不同的治疗机理和作用靶点,可减少单一治疗方式的弊病,提升肿瘤治疗效果。然而,由于不同治疗制剂的理化性质不尽相同,目前仍缺乏有效的方法,将其同时以“最优”的途径导入细胞。为解决这一难题,Lou等[551]设计了一种FC-PyTPA探针(图145 ),FC-PyTPA包含三部分:(1)十六碳烷基链、亲水肽段和细胞穿膜肽(FC);(2)基于AIE的光敏剂(PyTPA);(3)MMP-2底物肽和组织蛋白酶B底物肽。当FC-PyTPA探针和siRNA的复合物FCsiRNA-PyTPA到达肿瘤附近,肿瘤微环境高表达的MMP-2将FCsiRNA-PyTPA切分为FCsiRNA和PyTPA,FCsiRNA和PyTPA分别以巨胞饮和胞膜窖介导的内吞作用被细胞内化。随后,FCsiRNA在溶酶体内组织蛋白酶B的酶切作用下形成纳米纤维,破坏溶酶体的结构,促使siRNA从溶酶体中逃逸并行使基因静默的功能。同时,他们再适时地施以光照,发挥PyTPA的PDT能力。通过使三种治疗药物(纳米纤维、siRNA和PyTPA)被细胞高效内化,发挥各自的最佳治疗性能,从而有效抑制肿瘤生长。
针对卵巢癌术后残留和复发的问题,Lou等[552]构建了一种多功能模块化探针TCDTMP(图146 )提出术前、术中、术后分段治疗的策略。它由四个功能部分组成:(1)靶向肽TMTP1,特异性结合到高转移性肿瘤细胞;(2)TAT,具有基因负载功能;(3)MMP-2底物肽;(4)PyTPA,用于肿瘤成像和PDT。通过加载miR-145-5P或VEGF-siRNA来自组装形成纳米粒子。在体内,术前使用TCDTMP/miR-145-5p确保主动靶向在肿瘤中充分积累,增加肿瘤中miR-145-5p的表达,从而诱导肿瘤细胞凋亡。术中,大部分肿瘤被切除,通过TCDTMP/miR-145-5p介导的PDT基本上消除了少量残留肿瘤。术后,给予TCDTMP/VEGF-siRNA进行抗血管生成治疗,从而延迟了肿瘤的复发。这个基于MPAP的治疗系统能显著提高生存率,降低复发率,为高侵袭卵巢癌的外科手术治疗提供了前景。
除了作为光敏剂用于肿瘤的成像治疗,Lou等提出AIE分子固有的扭曲的立体化学结构还可作为小分子支架,为构建不同模块排布方式的探针打基础。为了比较模块的不同空间排布方式对探针性能的影响,设计了两种模块相同,但空间排布不同的探针(T-AIE-M,TM-AIE)[553]。AIE模块是TPE的衍生物,其可用于荧光定位,同时光照条件下可产ROS用于肿瘤杀伤,多肽模块T则是由肿瘤靶向肽、MMP-2底物肽和细胞穿膜肽组成,用于促进探针被肿瘤细胞特异性摄取,多肽模块M是由α-螺旋促凋亡肽(HLAH)组成(图147 )。通过全面比较两个探针的细胞选择性、细胞内化效率、线粒体靶向性、单线态氧产生效率和线粒体膜电位干扰能力,发现两种探针在特异性和毒性方面都存在明显差异。双边键接的T-AIE-M由于更高的整合素亲合力,具有更高的肿瘤细胞特异性,而单边键接的TM-AIE则由于更长的螺旋结构,显现出更强的毒性。这一现象为未来构建MPAPs提供了借鉴,同时也为优化多模块探针性能提供了一种“现有模块再排布”的新思路。
6.3.1.2 基于半菁的AIE探针对生物标志物的可激活式检测与成像
生物标志物是指当系统、器官、组织或(亚)细胞的结构或功能出现变化时的可测量的生化指标,因此生物标志物可用于检测和诊断疾病。在疾病的发生和发展的过程中,会伴随着病灶区域微环境(如pH、氧化还原状态等)的变化或者生物标志物(如基因、ROS、小分子代谢物、代谢酶等)的异常表达[554⇓⇓~557],因此对生物标志物的精准检测在疾病诊断和疗效监测方面具有重要意义。目前血清检测仍然是生物标志物检测的主流方法。然而,除了病灶区域外,许多生物标志物还存在于其他器官或组织中,影响了检测诊断的特异性[558,559],因此在病灶部位原位检测相关生物标志物有助于精准诊断疾病,并可避免假阳性的诊断。荧光成像技术作为一种无创检测手段,具有灵敏度高、可实时成像等优势。但是由于生物组织的强光散射致使荧光信号(尤其是短波长的荧光,如可见光区的荧光)随着成像深度的增大而急剧衰减,加上生物组织的自发荧光主要集中在短波长区域,导致短波长区域的荧光成像效果有限[560,561]。由于组织的光散射和自发荧光随着波长的增大呈指数下降,为了克服上述缺陷,可采取延长荧光信号波长的策略如进行近红外Ⅰ区甚至是Ⅱ区的荧光成像(NIR-Ⅰ, NIR-Ⅱ荧光成像),另一方面可采用光声成像技术。光声成像作为一种新兴的无创成像技术近年来已成为生物检测成像领域的研究热点之一。光声成像是基于“光进声出”的原理,即以近红外脉冲激光激发组织样品,收集样品因局部热膨胀产生的超声信号进行检测成像;由于超声信号在生物组织中的散射较低,因此光声成像可具有较高的组织穿透深度和时空分辨率[562,563]。其中,多光谱光声断层扫描技术(MSOT)利用多个波长的近红外激光激发样品,收集来自组织中的不同光吸收剂的超声信号,通过光谱拆分功能可区分并获取各个光吸收剂(如内源性光吸收剂或外源性的探针等)产生的光声信号,并可获得三维光声图像,从而有助于通过原位检测生物标志物精准定位病灶区域[564,565]。
利用近红外荧光和光声成像通过检测生物标志物以无创方式诊断疾病时,造影剂或探针是确保诊断准确性的关键之一。可激活式探针通过和特定的生物标志物反应或结合,使得探针分子的信号从“关闭”到“开启”,因而这类探针具有较高的信噪比,可用在对疾病生物标志物的特异性检测及诊断成像上[566,567]。半菁类生色团化合物是由乙烯基连接的芳环结构组成的大共轭体系,其具有消光系数较高、结构设计灵活、易于通过调节共轭π桥长度或取代基的吸(供)电能力来调控吸收波长和发射波长等优点,已成为应用广泛的染料[568⇓⇓~571]。然而,这类生色团一般表现出ACQ效应,而生物检测通常在水相环境中进行且生色团常以聚集体的形式存在,在此情况下基于此类生色团的探针可能会给出假阴性的结果。此外,由于ACQ效应难以实现高质量的荧光和光声双模成像。与ACQ生色团相反,AIE型探针能很好地克服上述缺陷,并有利于在生理环境的水相中进行生物检测和成像。因此,经合理结构设计的具有AIE特性的半菁类可激活式探针在对生物标志物的检测,并由此通过近红外荧光和光声双模成像对疾病进行精准诊断方面展现出巨大的应用优势。
(1)具有AIE特性的半菁类可激活式探针的结构设计
半菁类生色团化合物是以乙烯基为桥连接两个芳香基团形成的共轭体系,通常具有电子供体-电子受体的D-π-A结构。通过合理的结构设计或改造,可赋予半菁类生色团一些有益的性能,例如延长吸收波长和发射波长,使其具备AIE特性,构建可激活式探针等。经典的半菁类生色团(In-Y)由吲哚盐(In)作为电子受体、氧杂蒽(Y)作为电子供体,In-Y的吸收峰和荧光发射峰分别位于684和703 nm(表1 )。
表1 半菁类生色团的结构及光学性质Table 1 Structure and photophysical properties of hemicyanine chromophores |
| Structure | Absorption (nm) | Emission (nm) |
|---|---|---|
 | 684 | 703 |
 | 710 | 730 |
 | 660 | 780,922 |
 BIN-Y | 705 | 715 |
 FB-Y-BA | 730 | 791,923 |
现以In-Y为例,说明可用于构建具有AIE特性的半菁类可激活式探针结构的设计策略。首先,在分子结构中引入“转子”基元,可赋予体系AIE特性,例如在In-Y和Q-Y(喹啉盐-氧杂蒽构成的半菁)中氧杂蒽供体上引入二苯基胺形成In-Y-BA和Q-Y-BA,即可使体系表现出典型的AIE特性,有利于在水相的聚集状态下发射出强荧光[572,573]。其次,在使吸收/发射波长延长方面,可通过延长分子的共轭长度使吸收和/或发射波长红移,如以苯并吲哚替换吲哚作为电子受体形成半菁生色团BIN-Y,其吸收波长和荧光发射波长分别延长至705和715 nm[574];也可通过采用吸电子能力较强的受体来延长吸收/发射波长,例如采用强吸电的氟硼杂环受体形成的半菁FB-Y-BA的吸收波长和发射波长分别延长至730和923 nm[575]。在分子结构中引入响应基元,利用响应基元与特定生物标志物的反应诱发的体系电子效应的变化,可实现生物标志物激活式的光谱变化,由此构建可激活式探针,例如,在电子供体氧杂蒽上引入可对酶类生物标志物响应的基元,由此削弱供体的供电性,而在响应后供体的供电性恢复,因而可实现对酶类生物标志物的可激活式检测(表2 )。
表2 半菁类探针响应前后的结构变化Table 2 Structural change of hemicyanine-based probes before and after response |
| Before response | After response |
|---|---|
 Responsive toward nitroreductase |  |
 responsive toward quinone oxidoreductase |  |
(2)具有AIE特性的半菁类可激活式探针对生物标志物的检测与成像
(a) 对酶类生物标志物的检测与成像
乳腺癌已成为最常见的癌症类型之一,是导致女性因癌症死亡的主要原因之一,全世界每8名女性中就有1人患有乳腺癌[576]。在早期阶段,乳腺癌主要集中在乳房中。如果不加以治疗,它将持续生长,并可能扩散到淋巴结,甚至侵袭到远端的器官,如肺部等[577,578]。如果在转移发生前进行治疗,乳腺癌就更有可能被治愈。然而,一旦发生转移,治疗难度变大,超过90%的乳腺癌死亡率都是由转移引起的。硝基还原酶是一种在包括乳腺肿瘤在内的实体肿瘤低氧微环境中高度表达的生物标志物。Ouyang等[573]设计了一种硝基还原酶激活型的半菁类探针。如图148 所示,探针Q-NO2以含二苯胺的氧杂蒽为供体、喹啉盐为受体、4-硝基苄基为硝基还原酶的识别基团和荧光猝灭剂,在水介质中探针分子聚集形成纳米探针(NP-Q-NO2)。在没有硝基还原酶的情况下,纳米探针在近红外区域基本上没有荧光。在硝基还原酶存在的条件下,硝基还原酶将强吸电子的硝基转化为氨基,诱导自消除反应,生成供电子的羟基,所生成的激活探针即生色团Q-OH具有典型的AIE特性,因而具有强的光声和荧光信号。实验结果表明,纳米探针NP-Q-NO2可以通过检测乳腺肿瘤转移模型中的硝基还原酶,实现对原位乳腺肿瘤到淋巴结再到肺部的连续转移成像,并可用于监测和跟踪化疗的效果。此外,三维MSOT成像图能够精确定位原位乳腺癌肿瘤的病灶,并对肿瘤到淋巴结和肺部的转移路径进行追踪。
图148 (a) 探针NP-Q-NO对小鼠模型中的乳腺癌转移的NIR-Ⅱ荧光成像图;(b) 探针的结构式;(c) 探针NP-Q-NO对小鼠模型中的乳腺癌转移的多光谱光声断层扫描成像图;(d) 激活探针Q-NH2的结构式;(e) Q-NH2的AIE特性(922nm处的荧光强度与不良溶剂水含量的关系);白线:肺部,绿线:骼下淋巴结,蓝线:第五对脂肪垫原位瘤[573]Fig. 148 (a) The probe's NIR-Ⅱ fluorescent image imaging for breast cancer metastasis; (b) structure of the probe; (c) the probe's MSOT image for breast cancer metastasis; (d) structure of the activated probe; (e) AIE effect of Q-NH2 (fluorescence intensity at 922 nm versus poor solvent water fraction)[573] |
Huang等[572]设计了醌氧化还原酶(NQO1)激活型半菁类探针。如图149 所示,探针以含二苯胺基的氧杂蒽为电子供体、吲哚盐为电子受体、醌丙酸为识别基元制备了探针分子DHXI,DHXI在溶液中通过自组装与重组人血清蛋白(HSA)结合形成纳米探针DHXI@HSA。该纳米探针可以对癌细胞中NQO1进行特异性的响应,当纳米探针DHXI@HSA与NQO1反应时,探针化合物上的强荧光猝灭基元醌丙酸基团被反应离去,暴露出羟基,从而使探针激活,激活后的探针(所生成的生色团化合物)具有聚集诱导发光特性,有利于进行活体荧光成像,同时由于分子内部供吸电性变化导致710 nm处的吸收和730 nm处的荧光增强,因此可以用于多光谱光声层析成像(MSOT)及近红外(NIR)荧光成像。利用纳米探针DHXI@HSA对原位肝癌小鼠模型进行MSOT成像及三维定位,并指导肝区肿瘤的切除手术。
(b) 对生物微环境pH的检测
一些疾病的发生会导致生物微环境pH值的变化(如细胞内的pH值变化),因此检测生物微环境pH值具有重要意义。Wang等[579]设计了一种可检测活细胞内的pH值的半菁类探针。如图150 所示,探针以吲哚盐为受体、含四苯基乙烯的罗丹明为供体,具有典型的AIE特性。在弱酸、中性或碱性条件下,罗丹明基元处于闭环状态;而在强酸性条件下,罗丹明基元处于开环状态,由此提高分子的共轭程度。在当pH值小于5.5时,探针主要发出红色荧光,发射峰值位于737 nm;而当pH值大于5.5时,探针主要发出绿色荧光,发射峰值位于510 nm。pH值从3增加到7的过程中,探针在510 nm的荧光逐渐增强,同时在731 nm的荧光逐渐减弱,因此该探针可对pH值3~7的范围实现可视化的检测。
(c) 对小分子生物标志物的检测
小分子生物标志物在许多疾病中过度表达,例如过氧化氢(H2O2)作为氧化应激的重要生物标志物,和炎症性疾病的发生和发展密切相关,谷胱甘肽(GSH)在一些肿瘤中过度表达,亚硫酸根和心肌疾病密切相关,因此对小分子生物标志物的检测对于一些疾病的诊断具有重要意义。Xie等[580]设计了一种GSH可激活的半菁类探针。探针以吲哚为受体、氧杂蒽为供体、双硫键为GSH的响应基元,双硫键通过碳酸酯键连接在氧杂蒽上。探针的吸收波长为600 nm,且无荧光发射;探针在和GSH反应后,双硫键断裂,由此释放出半菁生色团,吸收波长为685 nm左右,荧光发射波长为705 nm左右,因此探针可对GSH实现近红外荧光和光声检测与成像。Yu等[581]设计了一种过氧化氢响应的半菁探针。如图150 a所示,探针以吲哚盐为受体、氧杂蒽为供体,硼酸酯为过氧化氢的响应基元。当过氧化氢和探针反应时,硼酸酯键断裂,释放出半菁生色团,在聚集状态下发出强烈的近红外荧光,由此实现对过氧化氢的检测。Zhang等[582]设计了一种可响应亚硫酸根的菁类探针。如图151 b所示,探针以吲哚盐为受体、萘并吡喃为供体,在响应前后均表现出聚集诱导发光特性。在没有亚硫酸根存在的条件下,探针发出红色荧光,发射峰位于668 nm;在亚硫酸根存在的条件下,探针与亚硫酸根发生加成反应,激活的探针在聚集状态下荧光增强,且荧光蓝移,发出绿色荧光,荧光峰位于520 nm。因此该探针可对亚硫酸根实现比率型的荧光检测,他们将该探针成功地用于对细胞内和斑马鱼内的亚硫酸根进行检测。
6.3.1.3 NIR二区荧光探针
在过去的几个世纪,生物医学成像的多种技术繁荣发展,如X射线断层扫描术(CT)、超声成像(Ultrasound)、磁共振成像(MRI)以及正电子放射断层造影术(PET)等,使得人类对生命有了更进一步的了解。但是,上述几种成像技术都有各自的缺点,X射线对生物体损伤较大,超声成像为接触式成像、分辨率不高以及其结果精确度很大程度上取决于操作人员的技巧与经验,MRI无法进行实时成像,PET费用昂贵以及具有微量辐射等。荧光成像作为一种新型活体成像技术相比以上成像方式具有灵敏度和特异性高、成本低、非接触、无创以及生物安全性好等优势,在生物结构与生理过程的可视化以及疾病的诊断等应用中具有重大价值。
对于光学成像技术而言,理解生物组织与光的相互作用尤为重要。一般来说,在只考虑弹性散射的作用下,生物组织的散射随着波长的增加而减小;生物组织的吸收主要来源于水、脂肪等;此外,自发荧光的干扰会引起成像质量的下降,应尽可能避免。长久以来,由于荧光探针与仪器设备的限制,单光子荧光成像主要集中在可见光波段(Vis,400~700 nm)与传统近红外一区生物窗口(NIR-Ⅰ,760~900 nm)。然而,由于活体组织对Vis与NIR-Ⅰ波段的高散射与强自发荧光使得成像质量不尽如人意。近年来,由于近红外二区(NIR-Ⅱ,900~1880 nm)光子在生物组织中具有大吸收、低光子散射以及低自发荧光的优势,使得此波段荧光图像的信号-背景比与分辨率得到了极大提升,微小结构与快速生理过程的可视化以及疾病的早期诊断成为可能,此波段的荧光成像技术高速发展[583⇓⇓⇓⇓⇓~589]。尽管如此,近红外二区的荧光探针仍集中于单壁碳纳米管、稀土材料[590⇓⇓~593]以及量子点[594]等无机材料,其生物相容性、长期生物安全性、制备难度以及临床转化前景仍逊色于有机材料。传统的有机荧光探针在高浓度或聚集状态下由于ACQ效应使得荧光强度大大降低,进而成像质量下降,这严重限制了其在生物成像中的应用。AIEgens作为荧光成像的优异外源探针得到了广泛应用,其大斯托克斯位移、高荧光亮度、出色的光稳定性、生物相容性以及易于制备性使得AIEgens受到各个领域研究人员的青睐。在过去几年中,NIR-Ⅱ发射的AIEgens涌现,其丰富的种类与独特的光学性质促进了NIR-Ⅱ生物成像技术的蓬勃发展。
大多数生物组织的吸收主要来源于水,综合考虑水对光的吸收(图152 )与生物组织对光的散射,NIR-Ⅱ又分为NIR-Ⅱa(1300~1400 nm)与NIR-Ⅱb(1500~1700 nm)[595]。近年来,具有高信号-背景比与分辨率优势的NIR-Ⅱb生物成像技术获得了众多研究人员的认可。纵然NIR-Ⅱb低散射与低自发荧光的优势经常被提及,但其优势实则主要来源于生物组织中的水对光的强吸收。有研究表明,对于大光程的活体生物成像,由于生物组织的吸收对散射背景的抑制,促进了高信号-背景比的NIR-Ⅱ荧光成像[596,597]。基于此理念,进一步发挥水吸收对于提高成像质量的作用,有报道已验证~1450 nm是相比NIR-Ⅱb更佳的NIR-Ⅱ生物成像窗口,并将其定义为NIR-Ⅱx(1400~1500 nm)[598]。为实现高质量的生物成像,寻求NIR-Ⅱx发射的荧光探针十分必要。目前,发射波长位于NIR-Ⅱ波段的AIEgen数量有限,且集中于900~1100 nm之间[599,600]。然而,利用荧光“拖尾”的NIR-Ⅱx+NIR-Ⅱb成像技术又对探针有高亮度以及长波长发射的要求,用于抵抗生物组织的吸收损失。
基于能量带隙理论,由于基态和激发态振动的重叠,光致ФF随着发射波长向近红外区域移动而减小。因此,通过增加平面共轭长度增大吸收与利用扭曲结构实现高ФF是设计高亮度AIE探针的关键所在[601⇓⇓⇓⇓⇓~607]。另外目前具有供体-受体-供体(D-A-D)结构的NIR-Ⅱ AIEgen的设计方法主要有两种:(1)扩大π共轭长度以减小带隙;(2)加强电子给体或电子受体效应以减小带隙[605⇓⇓~608]。目前,许多高亮度与长波长发射的NIR-Ⅱ AIEgen已经被设计出来并应用于生物成像。同时,多种多样的AIEgen包覆方式也被探索以提高生物相容性与特定部位的靶向性[609⇓~611]。2019年,Liu等[601]通过同分异构体的设计证实了扭曲的主干与扭曲的转子在提高AIE分子的ФF方面有重要作用(图153 )。噻吩-BBTD-噻吩的平面性使得NIR-Ⅱ发射的2TT-mC6B具有ACQ效应,通过改变己基的位置使得主干扭曲进而得到了NIR-Ⅱ发射的AIEgen:2TT-oC6B。经过DSPE-mPE 包覆后的2TT-oC6B纳米颗粒(NPs)在808 nm处有最大吸收、1063 nm处有最大荧光强度,ФF可达11%。文章中利用中性粒细胞包覆的2TT-oC6B NPs穿过血脑屏障,得益于NIR-Ⅱ低散射高吸收与低自发荧光的特性,通过完整的头皮与颅骨观察到深部组织的炎症部位。
图153 2TT-mC6B与2TT-oC6B的结构式与光学性质。(a) 2TT-mC6B与2TT-oC6B的结构式;(b) 2TT-mC6B与2TT-oC6B在四氢呋喃中的吸收与发射光谱;(c) αAIE随水所占比例的变化曲线[601]Fig. 153 Chemical structures and optical spectra of 2TT-mC6B and 2TT-oC6B. (a) Chemical structures of 2TT-mC6B and 2TT-oC6B; (b) Absorption and emission spectra in THF; (c) αAIE curves with water fraction[601] |
得益于2TT-oC6B纳米颗粒的高ФF、长发射波长、高尿液化学稳定性与良好的生物相容性,Du等[612]在NIR-Ⅱ波段实现了家兔模型输尿管的精确识别、输尿管损伤检测以及损伤修复(图154 )。2TT-oC6B纳米颗粒甚至可以被传统腹腔镜氙气灯激发,这为实时荧光成像导航的临床手术提供了一个新思路。
2020年,Liu等[605]结合2TT-mC6B与2TT-oC6B,设计得到了同时具有扭曲与平面的两个电子供体的AIEgen:2TT-m,oC6B(图155 )。此AIEgen结合了平面结构的强吸收和扭曲单元的高ФF的优点,在808 nm处的摩尔吸光系数达到1.12×104·M-1·cm-1,表现出良好的NIR-Ⅱ荧光强度与PCE。经过DSPE-mPEG2000包覆的2TT-m,oC6B NPs在777 nm处有最大吸收、1034 nm处有最强荧光,对后续荧光成像指导光热治疗造影剂的设计有重要指导意义。
2020年,Li等首次利用AIE NPs进行NIR-Ⅱb生物成像,验证了AIE与NIR-Ⅱb强强联合实现高质量生物成像的可能。2020年,Liu等[606]提出一种将平面单元整合到扭曲骨架的分子设计策略拟提高AIEgens的亮度,并合成了TT3-oCB,保留了AIEgens的高ФF特性,其较大的π共轭平面单元可以增强吸收,将高ФF与大吸收整合入一个AIEgen中(图156 ),实现了优异的NIR-Ⅱb荧光强度。通过Pluronic F-127包覆的TT3-oCB NPs在784 nm处有最大吸收、1062 nm处有最大发射,并且793 nm处的摩尔吸光系数为1.12×104 M-1·cm-1,NIR-Ⅱ的QY为4.6%,其中NIR-Ⅱb波段QY为0.031%。利用高NIR-Ⅱb亮度的TT3-oCB NPs实现了NIR-Ⅱb的小鼠全身血管、股动脉以及膀胱成像,在肝部强自发荧光的干扰下NIR-Ⅱb成像仍能分辨出0.49 mm的细小血管,再次验证了NIR-Ⅱb波段对于微小结构与深部组织的成像优异性。
图156 (a) TT1-oCB、TT2-oCB与TT3-oCB的化学结构式;(b) 不同波段下利用TT3-oCB NPs进行的膀胱成像以及膀胱荧光信号的高斯拟合[606]Fig. 156 (a) Chemical structures of TT1-oCB, TT2-oCB and TT3-oCB; (b) Bladder NIR-Ⅱ imaging of living mice under different long-pass filters treated with TT3-oCB NPs and cross-sectional fluorescence intensity profile fitted with Gaussian along red-dashed lines[606] |
2021年,Wu等[613]借助明亮的NIR-Ⅱb造影剂TT3-oCB NPs在家兔模型上实现了NIR-Ⅱb胆道成像、胆道损伤及其他病变的检测(图157 )。因此,高亮度、高稳定与高生物相容性的TT3-oCB NPs辅助NIR-Ⅱb波段胆管成像为术中非放射性胆管造影和诊断提供了一种方法,展现出极大的临床转化潜力。
虽然TT3-oCB的脂肪侧链有利于其在与生物体内蛋白的相互作用下从聚乙二醇胶束中分离出来,并进一步从体内排泄,但是无法进行高效、特异的肿瘤标记对成像引导的治疗是一个巨大的挑战[614]。在未来可将TT3-oCB NPs通过一系列功能化手段实现其对肿瘤、炎症等病变部位的高效靶向性,发挥NIR-Ⅱ波段成像引导治疗的优势,进一步拓展AIE在临床方向的应用。
自2018年Qi等[587]首次利用高亮度NIR-Ⅰ发射的AIE NPs进行NIR-Ⅱ活体成像后,AIE与NIR-Ⅱ互为促进,从啮齿类小动物模型、大动物模型到非人灵长类动物模型,利用宏观与显微成像系统,借助AIE纳米材料优异的光学特性实现了血管、泌尿系统、生殖系统以及消化系统等结构与功能的成像,肿瘤与细菌感染的光动力、光热治疗以及传感。
6.3.1.4 AIE NIR二区三光子成像
考虑到生物组织与光的相互作用,影响光穿透深度的主要因素是吸收与散射。一般而言,生物组织中的吸收主要由水决定,弹性散射导致了光在生物样品中传播方向的偏折。相较于紫外光与可见光,近红外光子在生物组织中具有低光毒性、低光子散射以及低自发荧光的优势,有利于实现更大的穿透深度,而目前高亮度的荧光探针与高灵敏度的探测器都集中在可见光波段,多光子成像技术应运而生。早在1931年Göppert-Mayer等[615]在理论上证明了双光子发光的可行性,直到1961年Kaiser等[616,617]才利用激光激发了CaF2:Eu2+晶体,首次观察到了双光子激发现象。在过去的30年里,近红外一区(NIR-Ⅰ,760~900 nm)激发的双光子荧光显微镜对体内结构与功能进行了革命性的研究,使得高空间分辨率、神经生理学的记录在高散射的大脑内部达到了前所未有的规模与深度[618]。然而1 mm的成像深度已经逼近NIR-Ⅰ激发双光子穿透深度的理论极限,若寻求更高的穿透深度与信号-背景比,必须采用激发光位于近红外二区(NIR-Ⅱ,900~1880 nm)的三光子显微镜,1996年Hell、Xu与Svoboda等[619,620]提出三光子扫描显微镜的概念。自此,长波长激发的三光子显微成像在神经科学等多个领域产生了重要影响[621,622]。综合考虑生物组织的水吸收与散射,NIR-Ⅱ适用于多光子激发的生物窗口分别位于~1300与~1700 nm(图158 )[623,624]。
实现大穿透深度与高信号-背景比的三光子荧光(Three-photon fluorescence,3PF)成像离不开高亮度、高稳定性的荧光探针。各种有机染料被设计合成用于多光子成像,但大部分具有平面结构,在生物环境中容易发生聚集,导致ACQ效应;在3PF成像所需的高能脉冲激光照射下,有机小分子染料光稳定性较差,极易被漂白,这都导致了成像深度与质量的下降。含有AIE分子的AIE纳米颗粒(AIE NPs)则是一种极具前景的多光子荧光探针[625,626]。首先,AIE NPs有较强的多光子荧光:由于分子运动受限,聚集态的AIEgens(如被包覆为NPs等)具有较大的光致发光量子产率;再者,增大其多光子吸收截面可以通过简单地增加纳米颗粒中的分子数或者进行分子结构设计来实现,据文献报道,TPEPT NPs在1550 nm处的三光子吸收截面高达6.33×10-78 cm6·s2[627];另外,AIE NPs中的数以千计的AIEgens使得其具有较高的抗光漂白性,这有利于大穿透深度、长时间追踪的3PF[628]。近年来,已有多个AIEgen被应用于3PF成像技术[629,630]。
2015年,Qian等[631]报道了具有大共轭长度的TTF AIEgen,1560 nm飞秒激光激发下溶液中的TTF具有双光子、三光子甚至四光子荧光,有趣的是,随着TTF聚集程度的增加,TTF NPs中的三倍频和3PF强度增加,Qian等基于此提出了“聚集诱导三倍频增强”与“聚集诱导三光子增强”的观点(图159 )。
图159 (a) 不同TTF负载比NPs的吸收与1560 nm飞秒光激发三倍频、3PF比较;(b) 1560 nm飞秒激光激发不同TTF负载比溶液的3PF与三倍频成像(从左至右分别为9 wt%、14 wt%与20 wt%的负载比)[631]Fig. 159 (a) Quantitative comparison of 3PF and THG from TTF NPs with various TTF loading ratios; (b) 3PF and THG images of aqueous dispersion of TTF NPs in a capillary glass tube, with various TTF loading ratios (from left to right: 9 wt%, 14 wt%, and 20 wt%) under 1560 nm femtosecond laser[631] |
TTF丰富的非线性光学性质使得其有3PF成像的应用潜力。2015年,Zhu等[632]使用纳米氧化石墨烯作为表面改性剂包覆TTF(TTF-NGO NPs),并提出该方法可广泛应用于其他AIEgens中。利用TTF-NGO NPs实现了鼠耳血管与斑马鱼的3PF成像(图160 )。
2016年,Li等[628]使用DSPE-mPEG2000包覆的TTF NPs验证了其优异的光稳定性、低生物毒性与化学稳定性。在此基础上,他们将TTF NPs注射入斑马鱼胚胎中,在1560 nm飞秒光激发下利用3PF成像对胚胎不同生长阶段进行了长达120 h的追踪(图161 ),突出了AIE NPs作为多光子荧光造影剂的抗光漂白优势。另外,又利用TTF NPs靶向斑马鱼血管进行了3PF血管造影,可以清晰地观察到心脏与血管的形状。
图161 (a) TTF NPs显微注射入斑马鱼胚胎的卵黄中;(b) 显微注射后6、48、96和120 h斑马鱼明场与1560 nm飞秒光激发3PF图像,标尺:200 μm;(c) 斑马鱼心脏与血管的3PF图像、明场图像以及相对应的叠加图像[628]Fig. 161 (a) Scheme illustrating the microinjection of TTF NPs into the yolk of zebrafish embryo; (b) bright field and 3PF images of zebrafish at 6, 48, 96 and 120 hours after microinjection of TTF NPs excited by a 1560 nm femtosecond laser, scale bar: 200 μm; (c) 3PF images, bright field images and overlay images of the heart and blood vessels of zebrafish[628] |
2017年,Wang等[633]报道了一种TPATCN AIEgen,以TPA作为电子供体(D),DBFN作为电子受体(A),具有典型的D-A-D结构,其荧光发射峰位于642 nm。利用Pluronic F-127包覆的NPs在1560 nm飞秒光激发下,同时采集3PF与三倍频产生的信号,实现了开颅小鼠脑血管875 μm的成像深度,在875 μm处仍能保持高达4.7的信号-背景比(图162 )。
图162 小鼠脑血管3PF三维重构图。(a) 深度为875 μm的3D重构图;不同深度范围的3D重构图:(b) 0~200 μm, (c) 200~400 μm, (d) 400~600 μm and (e) 600~800 μm;标尺:200 μm[633]Fig. 162 3D reconstruction of the brain vascular system of a mouse. (a) 3D reconstruction with a penetration depth of 875 μm; 3D reconstruction at various depth regions, (b) 0~200 μm, (c) 200~400 μm, (d) 400~600 μm and (e) 600~800 μm; scale bar: 200 μm[633] |
为了进一步优化激发波段与3PF强度,2020年Li等[634]将激发波长移至1300 nm处,利用Pluronic F-127包覆的TPATCN NPs在小鼠开颅脑血管中实现了深度为1360 μm高信号-背景比的3PF成像,在1360 μm处仍能分辨出9.4 μm的血管,这是目前NIR-Ⅱa(1300~1400 nm)激发的3PF成像最大成像深度(图163 )。
图163 (a)~(f) 不同深度的小鼠脑血管3PF图像;(c)~(e) 中白色箭头旁的数值代表测量的血管直径;(g,f)图中虚线荧光强度的高斯拟合;(h) 深度1000~1200 μm之间皮质血管3PF三维重构图[634]Fig. 163 (a)~(f) 3PF images at various brain depth. The values beside the white arrows in (c)~(e) represent the measured diameters of blood vessels; (g) line plot of dashed line in (f). (h) 3D reconstruction of cortical vasculature in the depth range from 1000~1200 μm[634] |
由于颅骨较为致密,对光的散射很大,传统多光子成像技术需要进行开颅手术或将颅骨磨薄以对大脑进行观察,这可能导致充血、损伤等问题,因此无损伤观察对于解析生物结构与生理过程极为重要。借助于NIR-Ⅱ激发光的大穿透深度与AIE NPs的高3PF亮度,2017年Wang等[635]首次实现了穿颅成像(图164 )。在1550 nm飞秒激光的激发下,得益于DCDPP-2TPA NPs高荧光强度与强抗光漂白性,实现了成像深度为300 μm的非侵入穿颅小鼠活体脑血管成像,在300 μm处仍可以观察到2.4 μm的细小血管,这为将来无创化进行活体生物观察提供了一个极具前景的新思路。
2020年,Liu等[591]构建了二元AIE NPs,实现了较高的3PF吸收截面与ФF,在1610 nm飞秒光激发下同时接收3PF与三倍频信号,成像深度高达1680 μm。这是目前以AIE NPs作为3PF探针所能实现的最大成像深度(图165 )。
图165 小鼠脑血管3PF成像。(a) BONAPs标记的小鼠脑血管3PF(红色)与三倍频(绿色)三维重构图;(b)~(e) 深度分别为20、850、1200与1680 μm的3PF图像;标尺:50 μm[591]Fig. 165 Deep-brain 3PF imaging in mouse. (a) 3D reconstruction of 3PF imaging of the brain vasculature labeled by BONAPs (red) and simultaneously acquired third-harmonic generation imaging (green) to identify the anatomical layers; (b)~(e) 2D images from the 3D stack at 20 (b), 850 (c), 1200 (d) and 1680 (e) μm below the surface of the brain. WM: whiter matter. Scale bar: 50 μm[591] |
6.3.1.5 AIE光捕获荧光探针
虽然AIE功能染料能够克服传统染料分子聚集猝灭的缺点,在水环境中聚集仍表现出高的发光量子产率。然而,绝大多数AIE染料分子具有较宽的荧光发射谱带,其半峰宽基本超过100 nm。这一缺点限制了AIE染料分子的广泛应用。例如,在生物多颜色成像与共定位实验中,AIE染料的宽荧光发射信号会对其他荧光标记物产生干扰,并发生不同荧光通道的串色现象[636,637]。在OLED材料应用中,研究人员必须加装额外的滤光片才能得到纯净颜色的发光,这会严重降低器件外量子效率[638,639]。AIE材料发光谱带宽主要是由于其分子含有多个可以自由转动的芳香基团,在聚集过程中会有多种不同的构象和聚集状态而具有不同的发射波长,该特性决定了通过分子设计和修饰难以解决该问题。因此,寻找普适性的策略获得窄发射的AIE材料具有重要意义。基于此,Yang等[640]提出了利用光捕获解决该问题的策略,通过在AIE体系中引入具有窄发射的荧光染料作为能量受体,AIE分子受光激发后会将激发能高效地传递给能量受体,引起受体的发光,从而使发射谱带变窄,同时发光强度大幅度增加,并且发光颜色可以方便地进行调控。如图166 所示,通过在AIE化合物TPE上引入两个四重氢键单元(UPy),以其作为能量给体(TPEH, TPEP, TPEDC),以具有窄发射的BODIPY的UPy衍射物作为能量受体(GM, YM, RM, NIR-M),能量给体和受体通过氢键相互作用共聚形成超分子聚合物,其进一步在水中共组装形成粒径为90 nm左右的纳米球。以TPEH和RM共聚形成的AIE发光纳米粒子为例, 当选择性激发给体,其可以高效将激发能传递给受体,引起受体发光,使AIE发光纳米粒子的发光半峰宽由原来的109 nm(TPEH)减小为35 nm,并且伴随着荧光的6倍增强。其他的能量给体和受体的组合均可得到具有发射谱带变窄、发光增强的AIE材料,并且通过改变受体的种类和比例可以得到覆盖整个可见光范围的AIE发光纳米粒子。AIE纳米粒子细胞成像研究发现,没有受体的AIE纳米粒子由于发光谱带宽,使得在红绿蓝三个通道都有明显的荧光信号,而具有光捕获性能的发红光的AIE纳米粒子只在红光通道有强的荧光信号,显著提高了成像效果。光捕获纳米粒子在活体成像中也展示出了优异的性能。将光捕获AIE材料作为化学发光的发光体,用于炎症部位的成像,也取得了很好的效果。
图166 (a)具有光捕获性能的AIE材料的制备示意图和纳米粒子修饰供受体的化学结构;(b)发光性能的控制[640]Fig. 166 (a) Schematic illustration of the preparation of AIE materials with light-harvesting properties, and chemical structures of the UPy-modified donors (TPEH, TPEP, and TPEDC) and acceptors (GM, YM, RM, and NIR-M). (b) Control of emission performance[640] |
6.3.2 AIE材料在生物诊疗方面的应用
AIE材料具有优异的聚集态发光性质的同时,也具有良好的ROS产生能力与一定的光热性质。根据雅布伦斯基能级图,分子在吸收能量到达激发态后,可以通过三种方式返回基态:(1)辐射跃迁,可用于荧光和磷光成像;(2)非辐射耗散产生热量,可用于光声成像/光热治疗;(3)系间窜越(ISC)至三线态产生磷光或ROS,可用于PDT。因此,本部分主要综述了利用这三种通路调控AIE材料发光、光热与ROS产生性能并分别应用于成像引导肿瘤切除、光声成像/光热治疗与化疗增敏/免疫治疗领域的工作。此外,我们也从荧光成像指导的PDT、无机材料辅助的多模态光学诊疗和基于单种AIE分子的多模态光学诊疗三个方面概括和总结了AIE材料在光学诊疗一体化领域的最新研究进展。
6.3.2.1 调控AIE材料的荧光性能用于成像肿瘤切除
得益于荧光成像的高灵敏度度、高安全性等优势,荧光成像被广泛应用于成像引导肿瘤切除的基础研究之中,并且其在临床上目前已经开展应用。然而,目前研究中使用的荧光分子在发射荧光的同时,还具有一定的光热性能与ROS产生能力,如何抑制这两个通路从而最大化荧光性能,是提高荧光材料在手术导航中成像质量的关键。
针对这一问题,Gu等[641]提出了通过增强纳米颗粒内部受限的微环境放大AIE点的荧光和ROS产生能力,从而极大改善体内的肿瘤光诊疗效果。他们采用碗烯这种刚性很强的材料,利用碗烯修饰的PEG(Cor-PEG)和DSPE-PEG负载AIE荧光分子(TPP-TPA)分别制备了具有不同粒子内刚性微环境的纳米探针Cor-AIE点和DSPE-AIE点(图167 )。与DSPE-AIE点相比,Cor-AIE点具有放大4倍的荧光量子产率和5.4倍的ROS产生。Cor-AIE点这种结构提供了纳米颗粒内部的刚性环境和与荧光分子间的强相互作用,限制了荧光分子的分子内旋转,从而有力地抑制了非辐射衰减,导致激发态能量更多的流向荧光通道和ISC过程,提升了AIE点的荧光和ROS产生能力,促进了荧光成像引导的肿瘤手术和腹腔转移瘤小鼠PDT的效果。
图167 (a) 纳米沉淀法制备Cor-AIE点和DSPE-AIE点的示意图;(b) Jablonski能级图显示了柔性(DSPE-AIE点)和刚性(Cor-AIE点)模型中AIEgens的非辐射、辐射和系间窜越(ISC)过程[641]Fig. 167 (a) Schematic illustration of the preparation of Cor-AIE dots and DSPE-AIE dots by nanoprecipitation method; (b) the Jablonski energy diagram of the nonradiative, radiative, and intersystem crossing processes for AIEgens in the flexible (DSPE-AIE dots) and rigid (Cor-AIE dots) models[641] |
通过引入碗烯增强纳米颗粒内部受限的微环境虽然可以提高AIE点的荧光性能,然而其ROS产生能力也随之提高,而ROS产生能力对于成像引导肿瘤切除却并非必要项,相反还限制了荧光性能的进一步提升。为了解决这一问题,Chen等[642]提出了通过杯芳烃与AIE分子主客体掺杂的方式,有效关闭AIE分子系间窜越和热失活途径,从而使得分子吸收的能量最大程度地用于荧光发射。杯芳烃作为一种大环主体,是近年来发展起来的一种新型超分子纳米药物载体,具有多刺激响应性、多修饰可调性和低细胞毒性等优点[643]。如图168 所示,如果把吸收激发能的三个耗散路径比作三个水龙头,杯芳烃和AIE分子之间的主客体络合明显地关闭了水龙头系间窜越和非辐射跃迁,使水(吸收的激发能)大部分作为荧光流出。因此,杯芳烃与AIE分子的相互作用严重限制了其中AIE分子吸收能量的非辐射跃迁,并且同时降低了高细胞毒性的ROS的产生,提供了高荧光强度的超分子AIE纳米粒子。研究表明,这种超分子AIE纳米粒子荧光量子效率可达0.72。体内腹膜癌小鼠模型研究则表明,其肿瘤组织相对于正常组织的荧光信号,信噪比可达48.5,且具有相当低的体内毒副作用,表明该材料可以作为一种优越的荧光生物探针,用于高灵敏荧光成像引导的肿瘤手术切除。此研究在AIE小分子的基础上引入主客体掺杂概念,为高亮度AIE荧光探针的开发提供了理想平台。
图168 (a) 能量耗散路径示意图;(b) 纳米粒子结构示意图;(c) 主客体掺杂的AIE纳米粒子和传统AIE纳米粒子在水中的荧光光谱;(d) 主客体掺杂的AIE纳米粒子和传统AIE纳米粒子ln(A0/A)随光照时间的变化曲线[642]Fig. 168 (a) The three dissipation pathways of the absorbed excitation energy for different AIE dots, which are likened to three water taps. FE: fluorescence emission; TD:thermal deactivation; (b) S-AIE dots and DSPE-PEGAIE dots and chemical structure of CC5A-12C; (c) Photoluminescence (PL) spectra of S-AIE dots and DSPE-PEG-AIE dots in water (λex: 445 nm); (d) Plot of ln(A0/A) against light irradiation time. A0 and A represent the ABDA absorbance at 378 nm without and with exposure to white light, respectively[642] |
荧光成像虽然具有较高的灵敏度,然而,受限于机体自身的荧光背景,荧光成像的信噪比仍有待进一步提高[644]。近年来,长余辉成像技术的发展为提高光学成像的信噪比提供了新的技术手段。由于无需实时激光激发,长余辉成像规避了生物体自身的荧光背景,具有极高的成像信噪比[645]。Schaap型探针是一类经典的化学发光分子,具有优异的长余辉发光性能[646]。然而,Schaap型探针发光过程中最为关键的苯甲酸酯分子同样存在ACQ效应,导致Schaap型探针在水中的发光量子产率较低。针对这一问题,Ni等[647]通过在Schaap型纳米探针内部引入AIE荧光分子(图169 ),利用Schaap型探针和AIE荧光分子的FRET效应提高发光量子产率,首次开发了具有超长余辉发光时间的近红外余辉发光AIE纳米探针(AGL AIE点),用于成像引导的肿瘤切除手术。体内研究表明,AGL AIE点的近红外余辉发光不仅具有更深的组织穿透能力,并且可以在肝脏等正常组织中快速猝灭,导致超高的肿瘤-肝脏信号比。得益于其高的长余辉成像信噪比,AGL AIE点在活体小鼠中表现出更优的肿瘤手术导航效果。
6.3.2.2 光动力治疗
光动力治疗是利用特定波长的光激发光敏剂产生强氧化性的ROS,从而氧化破坏组织和细胞中的各类生物大分子,使病变部位的细胞发生不可逆损伤甚至死亡的一种新技术[648]。光敏剂是PDT的关键,其ROS产生效率的高低直接影响PDT效果。依据ISC速率公式,降低ΔEST和增大自旋转轨道耦合常数(SOC)能够有效提高光敏剂的ISC速率、促进ROS产生[649]。一般地,增强分子的D-A效应是降低ΔEST、提高ROS产生效率的一个有效策略。如Tang等[650]通过合成一系列具有不同D-A强度的AIE分子,证实了随着分子D-A效应增强,其ROS产生效率也表现出逐渐增高的趋势。类似地,他们通过有序增强分子的D-A效应,成功开发了第一例用于大鼠伤口细菌感染模型的具有革兰氏阳性菌靶向成像和高效PDT抗菌作用的双功能近红外AIE分子[651]。在此基础上,Tang等[652]最近报道了一种通过同时降低ΔEST和提高SOC构建高性能光敏剂的新策略,他们将具有增强SOC的非重原子基团(羰基)和强缺电子氰基以茚满为骨架巧妙地引入到具有强给电子能力的三苯胺(TPA)衍生物中,通过精确调节分子中氰基和羰基的比例以及TPA部分的给电子效应,调控ΔEST和SOC常数的大小,成功开发出了具有较大摩尔吸光系数、长吸收和发射波长以及优异的ROS产生效率的AIE光敏剂TPAIC,并将其用于荧光成像指导的肿瘤PDT。研究结果表明,TATIC同时具有较低的ΔEST值和较高的SOC常数,实现了两者的平衡和最佳化,展现了最优的光敏性能(图170 )。
为进一步实现AIE材料的系统递送以及小鼠肿瘤在体细胞器原位PDT,Tang等[659]通过引入特定的酸响应性细胞核靶向载体,负载具有Ⅰ型ROS产生能力的AIE光敏剂TTFMN,成功构建了首个基于Ⅰ型AIE光敏剂的细胞核靶向PDT体系,实现了小鼠肿瘤细胞核原位PDT(图172 )。
部分AIE材料在具有荧光性能的同时,还具有良好的ROS产生能力,这些材料被称为AIE光敏剂。得益于ROS对细胞优异的杀伤能力,AIE光敏剂通常被应用于肿瘤PDT。然而,其在化疗增敏与免疫治疗等领域的应用则较少有人研究。
针对这一空白领域,Chen等[660]利用一种基于AIE分子的诊疗一体化材料(TPE-Py-FFGYSA)详细研究了其增敏化疗的效果,并首次提出AIE光敏剂可作为无毒安全的佐剂增强紫杉醇的抗肿瘤作用,成功实现了“0+1>1”的协同治疗效果。这种光敏剂由AIE分子TPE-Py、三肽FFG自组装辅助单元以及靶向肿瘤治疗靶点EphA2蛋白的多肽YSA这三部分构成(图173 )。研究发现,通过优化实验条件,靶向EphA2的TPE-Py-FFGYSA可以通过光控制产生ROS提供不足以杀死癌细胞的细胞内氧化环境,从而显著增强紫杉醇对人前列腺癌细胞的细胞毒性,将半数致死浓度从75.9 nM降低到了7.8 nM。而单独使用TPE-Py-FFGYSA进行干预,同等光照条件下,其产生的ROS并不会激活细胞内线粒体介导的凋亡通路。此外,自组装辅助单元能更好地促进AIE分子的荧光输出,实现对肿瘤细胞的高对比度成像。这一研究在扩展AIE光敏剂应用场景的同时,也为提高传统化疗药物的疗效提供了良好的平台。
图173 (a) TPE-Py-FFGYSA的化学结构;(b) TPE-Py-Me的能量图、ROS产生途径以及HOMO-LUMO分布;(c) TPE-Py-FFGYSA作为佐剂协同紫杉醇抗肿瘤的机制示意图。HOMO:最高占位分子轨道;LUMO:最低未占位分子轨道;p-AKT:磷酸化蛋白激酶B;Cyt.C:细胞色素C;Pro-Caspase 3:半胱天冬酶-3前体[660]Fig. 173 (a) Chemical structure of TPE-Py-FFGYSA; (b) energy diagrams, the proposed pathway of ROS generation and HOMO-LUMO distributions of TPE-Py-Me; (c) schematic illustration of the proposed synergistic mechanism. HOMO: highest occupied molecular orbital; LUMO: lowest unoccupied molecular orbital; p-AKT: phospho-protein kinase B; Cyt.C: cytochrome C; Pro-Caspase 3:Pro-cysteinyl aspartate specific proteinase-3[660] |
之后,Chen等[661]进一步研究了AIE光敏剂的免疫学效应。免疫原性细胞死亡(ICD)属于凋亡性细胞死亡形式,其特点是释放免疫刺激性损伤相关分子(如暴露于细胞外侧的钙网蛋白),基于这种途径的治疗,可提升低免疫原性的癌症对免疫治疗的敏感度[662]。然而目前可引起ICD的药物报道甚少,其效果也不尽如人意。针对这一瓶颈问题,Chen等[661]开发了一种靶向线粒体的AIE光敏剂(TPE-DPA-TCyP)并首先证明线粒体氧化应激可有效诱导ICD。TPE-DPA-TCyP具有D-π-A结构,通过增加最高占位分子轨道(HOMO)与最低未占位分子轨道(LUMO)之间的分离,可有效降低聚集体中分子间的相互作用从而增强分子的ROS产生能力,实现在光照的条件下,引起线粒体氧化应激,从而诱导肿瘤细胞发生ICD(图174 )。通过细胞实验发现该AIE光敏剂可大幅度增强钙网蛋白转位至包膜外以及促进ICD相关因子如腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、高迁移率族蛋白1(HMGB1)和热休克蛋白70(HSP70)的释放,并且其治疗效果要优于既往报道的可诱导ICD的二氢卟吩e6(Ce6)、脱镁叶绿酸A(PPa)和奥沙利铂,同时通过肿瘤疫苗实验发现其体内免疫效果优于Ce6。该文章首次提出线粒体氧化应激与ICD的关系,即线粒体的氧化应激可引发ICD,并且也是第一次将两个新兴领域AIE和ICD相结合,并证明AIE是开发基于光敏剂的ICD诱导剂的理想平台。
图174 (a) TPE-DPA-TCyP的化学结构、二面角以及HOMO-LUMO分布;(b) TPE-DPA-TCyP作为ICD诱导剂抗肿瘤的免疫机制示意图。HOMO:最高占位分子轨道;LUMO:最低未占位分子轨道;ICD:免疫原性死亡;CRT:钙网蛋白;ecto-CRT:转位至包膜外侧的钙网蛋白;HMGB1:迁移率族蛋白1;ATP:腺嘌呤核苷三磷酸;HSP70:热休克蛋白70;iDC:未成熟树突状细胞;mDC:成熟树突状细胞;TEM:效应/记忆T细胞[661]Fig. 174 (a) Chemical structures, dihedral angles, and HOMO-LUMO distributions of TPE-DPA-TCyP; (b) proposed mechanism of TPE-DPA-TCyP as an effective ICD inducer for antitumor immunity. HOMO: highest occupied molecular orbital; LUMO: lowest unoccupied molecular orbital; ICD: immunogenic cell death; CRT: calreticulin; ecto-CRT: surface-exposed CRT; HMGB1: high mobility group protein B1; ATP: adenosine triphosphate; HSP70: heat shock protein 70; iDC: immature dendritic cells; mDC: mature dendritic cells; TEM: effector memory T cells[661] |
6.3.2.3 光热治疗
光热转换材料是指能够把吸收的光能转变为热能的一类材料[663]。有机光热材料由于其加工性好、种类丰富、性质易调控以及生物兼容性好,发展尤为迅速,已在精细化工、海水淡化、疾病诊疗等领域崭露头角[664,665]。激发态分子运动理论上能够促进非辐射跃迁,将吸收的光能转化为热能,可以用于光热材料的设计。然而,在实际的应用场景下,无论是海水淡化、光热器件,还是疾病诊疗等,有机光热材料都是处于固态或者一个水相工作环境之下,主要以聚集体存在,从而抑制其分子运动以及产热性质[666]。因此如何克服固态或聚集态下的分子运动受限是分子机器乃至分子运动领域所面临的一个共性的问题,对于设计基于分子运动的光热转化材料以及更具挑战性的固态分子机器都具有十分重要的意义[667]。
(1)“分子内运动诱导光热(Intramolecular motion-induced photothermy, iMIPT)”机制
通过对AIE工作机制的思考,Tang等[668]提出如果能够保持AIE分子在固态下活跃的激发态分子运动,理论上可以将其所吸收的光能主要转化成热能,从而使其能够从发光材料切换为一种有效的光热材料。
图175 (a) AIE机理示意图; (b) 分子内运动诱导的光热转化(iMIPT)机理示意图; (c) 基于不同iMIPT分子的纳米颗粒在激光辐照下的温度随时间的变化曲线。激发波长:808 nm,辐照功率:0.8 W·cm-2,辐照时间:300 s; (d) 基于不同iMIPT分子的纳米颗粒的光声(PA)信号随波长的变化; (e) 静脉注射iMIPT纳米颗粒前后,肿瘤部位和正常组织的光声强度随时间的变化,插图:静脉注射4 h后肿瘤组织和正常组织的光声成像图片[668]Fig. 175 (a) Schematic illustration of aggregation-induced emission (AIE) mechanism; (b) schematic illustration of intramolecular motion-induced photothermy (iMIPT); (c) the temperature changes of solutions of various iMIPT nanoparticles (NPs) as a function of time. The solutions were irradiated with 808 nm laser for 300 s, power: 0.8 W·cm-2; (d) photoacoustic (PA) signal of NPs based on different iMIPT molecules varies with the wavelength; (e) PA intensity of tumor sites and normal tissues with time before and after intravenous injection of iMIPT NPs, inset: PA images of tumor and normal tissues at a time interval of 4 h after intravenous injection[668] |
如图175 所示,他们通过分子设计合成了两种近红外吸收,具有受体-给体结构的有机小分子:2TPE-NDTA和2TPE-2NDTA,将TPE分子转子修饰在萘二酰亚胺类受体上。长的支链烷基可以降低分子间相互作用为分子内基团运动创造空间,扭曲灵活的TPE转子可以在长的烷基支链形成的空间中自由转动,他们对其固态下的分子运动通过理论计算、超快光谱、固态核磁等手段进行了验证,发现它们的纳米颗粒可以在固态和聚集态下将吸收的光能量几乎全部以热的形式耗散(图175 c)。其中,2TPE-2NDTA在808 nm的激光辐射后温度可以迅速升高至81 ℃,PCE高达54.9%,优于商用的亚甲基蓝、吲哚菁绿以及很多半导体高分子光热剂[670,671]。iMIPT分子良好的光热性能使得其可以用于小鼠活体的高分辨率、深层次光声成像。例如,基于iMIPT分子的光热试剂2TPE-2NDTA与广泛应用的光声成像剂甲基蓝(Methylene blue, MB)和半导体聚合物纳米颗粒相比,具有更好的光声效果(图175 d)。这项研究首次提出了iMIPT概念并证实了其在机理上的合理性和应用中的可行性。
为了进一步验证 iMIPT机制并探究长烷基链对分子内运动的影响,Tang等[672]合成了一系列具有不同链长的苯并双噻二唑型的iMIPT分子(图175 )。结果显示,随链长的增加,分子的光热效应逐渐增强(图175 b),证实了长烷基侧链策略的有效性。基于NIR14的纳米颗粒具有出色的光热抗肿瘤效果,静脉注射聚合物包裹的NIRb14-PAE/PEG纳米颗粒辅以近红外的光照治疗,肿瘤体积明显减小(图176 c)。
图176 (a) 基于iMIPT分子设计的近红外分子NIRb14、NIRb10、NIRb8、NIR6的分子结构; (b) 链长对iMIPT纳米颗粒的光热行为影响以及和金纳米棒的光热行为对比; (c) 不同条件处理下小鼠肿瘤生长曲线。PEG:聚乙二醇; PAE: β-聚氨酯。数据表达为,平均值±标准偏差(n=8),*p<0.05[672]Fig. 176 (a) Molecular structures of NIRB14, NIRB10, NIRB8 and NIR6 based on the molecular design of iMIPT; (b) the effect of chain length on the photothermal behavior of iMIPT NPs and the comparison of the photothermal behavior between iMIPT NPs and gold nanorods; (c) tumor growth curves of mice with different treatments. PEG: polyethylene glycol, PAE: poly(β-amino ester). In |
(2)iMIPT分子在生物医学领域的应用
iMIPT分子优异的光热转换性质引起了生物医学领域的关注,其在光热协同治疗冠状病毒、光热杀菌等方面的应用被不同的课题组先后报道。
COVID-19严重威胁了全球公众的健康。在临床上,快速恶化的重症患者会出现急性呼吸窘迫症和多器官损害。这是因为患者感染病毒的剧烈免疫反应会导致严重的炎症综合征(称为“细胞因子风暴”),进而导致死亡[673]。因此,开发具有抗病毒又能够抗炎的有效治疗策略迫在眉睫。由于SARS-CoV-2病毒对热很敏感[674],Huang等[673]将基于iMIPT分子2TPE-2NDTA的纳米颗粒用肺泡巨噬细胞膜进行包裹制备了TN@AM仿生纳米颗粒(TN@AM NPs)(图177 )。包裹的肺泡巨噬细胞膜可与冠状病毒的刺突蛋白特异性结合,阻止了病毒进攻宿主目标,通过近红外光照产生的局部高温可有效杀灭病毒。除此之外,因为细胞膜上具有对应病毒的细胞因子的结合受体,可以吸收大量的细胞因子从而有效控制由于人体感染新冠病毒后强烈的免疫反应而引起的综合症状。最终,2TPE-2NDTA分子在近红外激光辐射下的光热效应不但可以降低小鼠肺部的病毒数量,也可有效降低机体产生的炎症因子,从而缓解COVID-19的生长,降低疾病的严重程度。
图177 (a) 基于iMIPT分子的类肺泡巨噬细胞纳米颗粒-TN@AM用于阻断冠状病毒进入细胞、光热杀灭病毒和吸收炎症细胞因子; (b) 分别用红细胞(RBC)膜包裹的iMIPT分子纳米颗粒、TN@AM纳米颗粒以及PBS处理的L929细胞中的MHV-A59病毒颗粒的数量。PBS: 磷酸缓冲盐溶液;纳米颗粒中蛋白浓度:4.0 mg·mL-1; (c) 分别用TN@AM NPs、RBC+NIR、NPs+NIR以及空白处理对小鼠进行治疗5天后用标准空斑实验测定的小鼠肺组织中MHV-A59浓度。b和c数据处理采取单项方差分析(One-way ANOVA )和Tukey事后比较法(Tukey post-hoc),*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001, n.s.:不显著。c图数据为平均值+标准偏差,n=3[673]Fig. 177 (a) Schematic illustration of coronavirus cellular entry blockage, virus photothermal disruption, and inflammatory cytokines absorption by multifunctional alveolar macrophage-like nanoparticles-TN@AM NPs; (b) counts of MHV-A59 particle localization in single L929 cells with treatments of PBS, RBC NPs (4.0 mg·mL-1 protein concentration) and TN@AM NPs (4.0 mg·mL-1 protein concentration). L929 cells as the target cells, PBS: phosphate-buffered saline; RBC NPs: nanoparticles derived from red blood cell membranes; (c) detection of MHV-A59 burden in the lung tissues through a standard plaque assay after 5 days' different post-treatments. Statistical analysis of b and c was conducted by using one-way ANOVA followed by a Tukey post-hoc test,*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001, n.s.=not significant. In |
细菌生物膜是一个统一的群落,细菌的细胞被胞外聚合物(Extracellular polymeric substance, EPS)包裹,形成了物理屏障。除了良好的屏障以外,细菌整体群体感应效应也帮助成熟的细菌对抗生素产生强的抵抗力[675,676]。Tang等[677]开发了基于iMIPT分子的光热纳米颗粒用于消杀细菌并清除细菌生物膜。当iMIPT NPs聚集在细菌基质中,它产生的热量不止针对单个细菌,也会破坏相邻的细菌。同时,光热效应也会导致基质中的蛋白质、多糖、细胞外DNA等黏附的组分失活,导致成熟生物膜的解体。如图178 所示,以金黄色葡萄球菌为模型,在加入2TPE-2NDTA NPs后用近红外激光 (808 nm, 1 W·cm-1)照射10 min能有效去除成熟的金黄色葡萄球菌生物膜,相对生物量减少了75%。而单独的使用近红外激光照射或者单独加入纳米粒子对细菌生物膜几乎没有影响(图178 b)。
图178 (a) DSPE-PEG封装的2TPE-2NDTA纳米颗粒的制备及其通过光热去除成熟的细菌生物膜示意图;有无近红外激光辐照和有无纳米颗粒存在的条件下,0.1% w/w结晶紫染色的金黄色葡萄球菌照片(b),各组细菌生物膜的相对生物质量(c),金黄色葡萄球菌菌落在NB琼脂上的生长图片(d)[677]Fig. 178 (a) Schematic diagram of preparation of 2TPE-2NDTA NPs and eradication of mature bacterial biofilms by photothermal effect; (b) digital images of S. aureus biofilm stained with 0.1% (w/w) crystal violet after treated with or without near-infrared laser and nanoparticles; (c) relative biomass amount of each group; (d) Digital images of live S. aureus colonies grown on NB agar[677] |
(3)iMIPT分子在生物传感中的应用
图179 (a) OTTAB检测NO的原理示意图;(b) OTTAB和OTTTB在四氢呋喃溶液中的吸收光谱,c=10-5 M;(c) 不同水含量下OTTTB和OTTAB在四氢呋喃/水混合溶液中的荧光强度的变化,c=10-5 M;(d) NO存在下,不同浓度OTTAB纳米颗粒的光声强度,数据表达为,平均值±标准偏差(n=3),*p=0.017,***p=0.00049,****p<0.0001;(e) 光声强度随NO浓度的变化曲线,数据表达为平均值±标准偏差(n=3)[680]Fig. 179 (a) The chemical mechanism of NO detection by OTTAB; (b) absorption spectra of OTTAB and OTTTB in tetrahydrofuran solution, c=10-5 M; (c) fluorescence intensity of OTTTB and OTTAB in tetrahydrofuran/water mixture with different water content, c=10-5 M; (d) in the presence of NO, the PA intensity of OTTAB NPs with different concentrations of OTTAB, data were presented as mean ± SD (n=3),*p=0.017,***p=0.00049,****p<0.0001; (e) the variation curve of PA intensity with NO concentration. Data were presented as mean ± SD (n=3)[680] |
6.3.2.4 AIE材料用于多模态光学诊疗
(1)无机材料辅助的多模态光学诊疗
受限于PDT的高氧依赖性和肿瘤部位的乏氧环境以及ROS有限的寿命和扩散距离,单纯的PDT往往不能完全消除肿瘤。作为另外一种重要的光学治疗手段,PTT可以通过光激发光热转换试剂产生高热以杀伤病变细胞发挥治疗效果[681,682]。在PDT的基础上联合使用PTT能够实现优势互补,达到PDT-PTT协同治疗的效果[683,684]。另一方面,单纯的荧光成像虽具有灵敏度高、响应速度快的优势,但存在穿透深度和空间分辨率不足的限制。相比之下,光声成像技术则能够提供足够深的组织穿透深度和高的空间分辨率[648]。荧光成像协同光声成像将能够同时兼顾成像灵敏度、空间分辨率和穿透深度以提供丰富而精确的成像信息[685]。因此,在基于AIE光敏剂的荧光成像指导的PDT的基础上辅以具有高PCE的光热试剂,可实现各组分功能的集成,是构筑多模态诊疗体系的方向之一。
Tang等[686]首次将AIE光敏剂与二维纳米光热材料黑磷纳米片结合,制备出了基于AIE材料的无机材料相辅助的多模态诊疗体系。在该体系中,黑磷纳米片为AIE光敏剂提供负载平台,后者可有效提高黑磷纳米片的稳定性,综合黑磷纳米片的光热转换性能与AIE材料的ROS产生能力,该多模态诊疗体系在小鼠活体实验中能够有效消除肿瘤,达到良好的“1+1>2”的多模态协同治疗效果(图180 a)。此外,他们进一步将AIE光敏剂与水溶性柱芳烃和金纳米棒复合,成功构建一个由超分子自组装指导的多重刺激响应性多模态纳米杂化诊疗体系[687]。该体系具有pH、温度、近红外光的多重刺激响应性,可以实现FLI-PAI指导的肿瘤PDT-PTT协同治疗,有效消除肿瘤并抑制肿瘤复发,为肿瘤多模态诊疗提供一个新的思路(图180 b)。
图180 基于AIE材料的无机材料辅助的多模态光学诊疗体系。(a)二维黑磷纳米片辅助的多模态光学诊疗体系[686];(b)金纳米棒辅助的柱芳烃超分子杂化的多模态光学诊疗体系[687]Fig. 180 AIEgen-based multimodal phototheranostic systems assisted by inorganic materials. (a) Multimodal phototheranostic system assisted by 2D black phosphorus nanosheets[686]. (b) Hybrid multimodal phototheranostic system assisted by pillar[5]arene-modified gold nanorods[687] |
(2)基于单种AIE分子的多模态光学诊疗
相比于单模态诊疗,无机材料辅助的多模态诊疗能够大大提高AIE材料的抗肿瘤效果。然而,这种“all-in-one”的诊疗体系往往存在成分复杂、稳定性不好、组分毒性大、制备可重复性低等不足[688]。因此,设计集多种功能于一体的“one-for-all”型多功能分子用以构建单一成分的多模态光学诊疗体系意义重大。单分子多模态诊疗体系设计的关键在于实现分子辐射与非辐射跃迁能量衰减的平衡。作为平衡能量耗散的绝佳模板,AIE材料是用于构建“one-for-all”型多功能诊疗体系的优秀候选者。在保留辐射跃迁与ISC的前提下,通过增强聚集态下的分子内运动,使部分激发态能量以非辐射热耗散的形式衰减,以保证有效的光声成像与光热治疗效果,能够实现基于单个AIE分子的多模态诊疗[689⇓~691]。
图181 基于单种AIE分子的多模态光学诊疗体系。(a) 促进分子在聚集态下杂乱无章堆积构建多模态光学诊疗体系[692];(b) 分子结构中引入振子构建多模态光学诊疗体系[693]Fig. 181 Single AIEgen-based multimodal phototheranostic systems. (a) Multimodal phototheranostic system based on the disordered loose packing in aggregate state[692]; (b) multimodal phototheranostic system based on the introduction of molecular vibrators[693] |
所谓“节源不如开流”,Tang等[694]最近又通过调控D-A构型的AIE分子的取代基团,成功构筑了兼具大摩尔吸收系数和强光吸收能力等优点的AIE多模态诊疗体系,在平衡各个能量耗散途径的基础上提高总体能量来源。总体可分配能量的上涨,赋予该体系长的发射波长以及高的PCE和ROS产生效率,成功实现包括FLI、PAI、PDT及PTT在内的多模态成像引导的协同治疗。
7 总结与展望
自2001年AIE概念提出以来,我国科学家在AIE材料体系的设计与制备、AIE理论体系的建立和完善、AIE材料应用的开发和拓展等方面均取得了创新性研究成果,产生了一批具有我国自主知识产权的新型发光材料,提出了分子聚集发光的新理论,实现了AIE材料在能源、环境和健康等领域的高技术应用。AIE已经成为化学和材料等领域的一个新的重要研究方向,并且是我国科学家领跑世界的研究领域。在本综述中,我们讨论了AIE及其衍生领域的最新进展。AIE作为研究聚集体科学的通用平台,不断与材料、生物、能源、环境等其他研究领域相结合,为这些领域注入新的活力。随着越来越多的研究人员开始从事这一领域的工作,预计在不久的将来会有更多的基础研究和应用的突破。
然而,随着AIE材料研究的不断深入,仍然面临一些新的挑战。
(1)虽然已报道了大量AIE材料,但对其独特的发光特性还有待于进一步深入研究和探讨,特别是一些AIE分子在聚集态的发光增强机制仍不是十分明确。因此,阐明分子结构、聚集态结构与性能的关系,在分子水平上对聚集体的结构进行有效调控,有望实现材料的优良性能和崭新功能。因此,今后的研究应该进一步拓宽其种类,更深入阐明其光化学与光物理过程,从而为发展聚集态高效发光材料提供新思路和新理论,并进一步发现新现象、认识新规律、提出新概念、建立新理论,构筑新体系奠定基础,从而丰富物质科学、信息工程、生物技术等学科的研究内涵,为生活健康、环境保护、国防安全和技术革新做出新贡献。
(2)分子激发态的衰减是一个动态的时间尺度跨度非常大的动力学过程。目前,实验上尚缺少精确的测量手段以捕捉分子激发态的几何结构,无法分离各个电子态、各个途径对激发态衰减的贡献;理论上尚缺少先进的电子结构理论计算方法,很多机理的争议均来源于不同的电子结构计算方法给出的不同结果。因此,我们应该注重实验上精细测量仪器的研制和测量系统的建造,在理论上重视电子结构理论方法的发展,并加强两者的紧密结合,产生新认知,提出新思路,推动AIE的整体发展。
(3)目前纯有机室温磷光材料领域无论是在分子设计层面还是在应用方面都已经取得显著进展。但是就机理而言,仍然还缺少对纯有机室温磷光体光物理过程全面和深入的理解,有些发光体的发光行为还不能被完全解释,上述问题具有一定的挑战性,需要科研人员不懈努力地去开发探索。此外,考虑到纯有机磷光材料的优势和广泛的应用空间,其必将继续属于有机发光材料领域的重点和热点。
(4)目前,非典型发光化合物领域的相关研究正不断取得新的进展,特别在分子的合理设计、新型生物分子体系开创、室温磷光研究及化合物光物理性质调控等方面取得了可喜进步。但其发光机理,尤其是激子经历的光物理过程仍有待深入探索。同时,目前理论化学对于非典型发光化合物体系性质的描述与预测与实验结果尚存在一定偏差,上述研究方向的发展值得期待。在未来,对于该领域不同体系共性与特性的进一步总结;明确化合物结构、浓度、聚集状态、分子内与分子间相互作用、外部环境(压力、温度)等对发光的影响;结合超快动力学研究,阐明体系电子-分子-聚集体的多层次构效都是至关重要的,上述问题的解决将为深入阐明其发光机理,总结光物理性质影响因素与调控手段,开发其应用领域奠定坚实基础。
(5)经过近10年的发展,无论在分子设计方面还是在机理研究方面,力刺激发光响应AIE材料都有了长足的进步。但是,单晶样品被研磨后(常用的研究力致发光和变色的方法),单晶已经被破坏,尚无法获得终态真实的单晶结构数据;即使利用静水压方法,单晶结构不被破坏,也无法进行实时单晶X射线检测,因此,力刺激响应与聚集态结构关系尚无直接的证据。若想将力刺激发光响应AIE材料用于应力传感,则必须建立力与发光性能的定量关系,尽管研究者们在对力刺激发光性能与受力大小之间的关系进行了定量研究的尝试,但结果较为粗浅。此外,对于力刺激发光响应AIE材料的应用研究需要进一步深入和拓展,有待在实际应用方面有所突破。
(6)复合材料结构的可视化也面临新的机遇和挑战:(a)如何获得更稳定、高效发光的AIE分子,实现对复合材料高分辨率的可视化分析;(b)通过设计不同颜色的AIE分子,实现对复合材料中多种无机相的同时识别和区分。基于此,希望通过材料设计和分析多个领域的鼎力合作,进一步拓展AIE分子的应用,为材料、能源、环境等领域研究提供助力。
(7)可以预测,AIE材料将在下一代OLEDs中展现出无限的潜力,这将大大降低OLEDs商业应用成本,为OLEDs材料和器件的研究开辟新的方向。因此,目前迫切需要开发高效率、长寿命AIE材料,并优化设计激子利用率更高的器件结构,进一步提高器件的效率和稳定性,满足应用要求。值得相信,若将TADF、TTA、HLCT和RTP的概念引入到AIE材料的设计中,无疑会大大提高AIE材料的器件效率,而一旦稳定性和寿命得到解决,其必将为OLEDs产业带来新一代的商业化材料体系,实现自主创新,推动我国乃至世界OLEDs产业的发展。
(8)尽管AIE分子的光物理性能调控已经取得了长足的进展,其在生物医药应用方面仍存在着一些挑战。例如,目前研究使用的长余辉AIE纳米探针仍多为长余辉分子/AIE光敏剂掺杂体系,亟需开发新型集长余辉/AIE性质于一身的小分子探针体系;此外,目前提高AIE材料光声性能的策略仍集中于提高材料光热性能,调控热声转换效率的研究仍较少;同时,目前使用的AIE光敏剂多为可见光吸收,组织穿透能力较弱,迫切需要开发具有近红外吸收的AIE光敏剂。上述问题为AIE材料在生物医药领域的应用研究提供了新的方向。
(9)AIE材料在迈向实际临床诊疗应用的过程中仍面临一些亟需解决的问题和挑战。首先,目前已开发的大多数AIE诊疗材料的激发波长仍然较短,受制于与其匹配的激发光源有限的穿透深度,这些AIE材料在深层肿瘤的诊疗方面表现欠佳,故具有近红外吸收或双/多光子吸收特性的AIE诊疗材料有待进一步开发;而后,用于多模态诊疗的多功能AIE分子的开发和研究才刚刚起步,其构效关系尚不十分明确,相应的构筑策略和高性能分子库有待进一步丰富;最后,为实现更精准的检测诊断和更有效的治疗,基于肿瘤特异性标志物的响应型AIE诊疗材料亟待开发,此外,加强AIE诊疗材料与功能型纳米载体的强强联合也是提高疾病诊疗效果的有效途径。我们有理由相信,随着更高性能的AIE诊疗材料的创新性开发以及相关构效关系的深入研究,AIE材料将在光学诊疗领域得到更加深入和长足的发展,其在临床实践中的推广值得期待。
(10)AIE NPs在3PF成像领域的应用优势已引起广泛关注与讨论,然而目前还存在一些问题有待解决:(a)AIEgens的固有特性保证了其较高的发光量子效率,然而较高的荧光强度是大吸收截面与高ФF共同作用的结果。因此,设计合成具有大多光子吸收截面的AIEgen对多光子成像至关重要,相信其会使3PF成像的深度和质量有进一步的突破。(b)目前AIE在3PF成像领域只局限于生物结构成像。设计开发具有靶向性的AIE探针,可以标记神经元、肿瘤细胞等特异性组织,对生理过程与其他生物结构进行解析,有助于进一步拓展AIE在3PF成像方面的应用领域。