【DFT+多尺度模拟】双光子激发的聚集诱导室温磷光材料的理论研究及设计策略

开发具有长寿命、高分辨率的双光子激发的聚集诱导室温磷光(TPE-AIP)材料对于生物成像至关重要。本文基于聚集诱导荧光 (AIE)和磷光(AIP)材料，深入研究了结构-堆积和双光子激发的聚集诱导磷光性质的关系，解释了聚集诱导磷光探针的发光机理。总结了分子构型对激发态电荷分布、单三重态能隙及激发态电子弛豫速率的影响，进而设计了具有较大π-共轭分子骨架的化合物，它能够在生物窗口内具有较强的双光子吸收能力，且同时保留了聚集诱导磷光的特性，是一种潜在的可实现时间分辨光学成像的TPE-AIP材料。

光学成像已经成为生物系统检测的重要技术手段，尤其是对于生物化学研究和医学治疗具有极其宝贵的价值。荧光探针是光学成像的必要工具，其中，有机小分子荧光探针具有高灵敏度、易于修饰的优点。但传统的有机小分子荧光探针在高浓度时通常会导致荧光猝灭。自从2001年，唐本忠发现了聚集诱导发光（AIE）的现象，立刻引起了人们的广泛关注。具有AIE特性的探针在单个分子状态下是不发光的，但在聚集态时能够发出强光，理论上讲，AIE探针的应用不会受到浓度的限制。但通常荧光探针容易受到生物组织自荧光的干扰，不利于信号捕捉，且其波长较短组织渗透深度有限。然而，室温磷光探针因其具有长发光寿命、高信噪比和较大斯托克斯位移，能够很好的弥补荧光探针的不足，且有望实现时间分辨的光学成像。最近研究发现，含有芳香羰基基团的一种新型材料能够同时兼具聚集诱导发光和室温磷光的特性，在生物成像领域具有潜在的应用价值。另外，双光子激发(TPE)的光学成像技术是当前最适合生物活体成像检测的手段，它具有较深的组织穿透力能够实现高精度三维成像，并且对细胞组织光损伤较小。目前，双光子成像在实际应用中尚未得到普及，主要是因为可用于双光子吸收的探针材料较少且效率较低。

团队以实验上已合成的聚集诱导室温磷光材料TPM (phenyl-(2,3,4,5-tetraphenyl-1H-pyrrol-1-yl) methanone)和 TPM-CL ((4-chlorophenyl)-(2,3,4,5-tetraphenyl-1H-pyrrol-1-yl) methanone）为研究对象：

（1） 通过对比AIE材料，分析分子构型尤其是芳香羰基基团对分子激发态电荷分布的影响，以及通过多尺度模拟堆积效应对激发态弛豫过程的作用，总结出实现聚集诱导室温磷光几何调控的关键；

（2） 基于理论计算结果，设计获得了同时具有双光子吸收能力和聚集诱导室温磷光(TPE-AIP)性质的新材料，为实现时间分辨光学成像提供了指导依据。

图3.前线轨道电荷分布图

理论计算结果表明，芳香羰基基团能够改变前线分子轨道电荷分布（图2），从而引起光谱红移和较大的斯托克斯位移（> 200 nm），但同时也导致跃迁偶极矩明显减小，降低了双光子吸收能力和发光效率。聚集诱导效应不仅能够抑制激发态几何弛豫，降低无辐射效率，而且会影响激发态电子组态成分，调节单-三重态能隙差（δE_S1-T1），TPM在THF溶液和固相下的δE_S1-T1分别为0.03 eV和0.24 eV, 进而调节系间窜越和反系间窜越速率，从而实现磷光发射。另外，为了提高材料的双光子吸收能量和发光效率，我们设计了具有较大π共轭性质的材料，并对其双光子吸收性能和激发态性质进行了模拟分析，发现2TPA-DPM-CL在生物窗口内具有较强的双光子吸收能力（36.40 GM/656 nm），且同时具有了聚集诱导磷光的特性。

综上所述，本文深入探索了聚集诱导磷光的发光机理，研究表明聚集效应不仅能够抑制分子的振动弛豫，减小无辐射弛豫速率；更重要的是能够调节单-三重态能量差，有利于实现电子从单重激发态到三重激发态的跃迁，从而实现磷光发射。另外，研究发现芳香羰基基团是实现室温磷光的关键，它能够改变前线分子轨道电荷分布，从而导致光谱红移和较大的斯托克斯位移；并且该基团中的氧原子能够引起大的旋-轨耦合，有助于磷光发射。但是，较大的前线轨道电荷分离使得电子跃迁偶极矩明显变小，不利于双光子吸收和磷光发光。我们进而设计获得了具有较大π-共轭分子骨架的化合物，它能够在生物窗口内具有较强的双光子吸收能力，且同时保留了聚集诱导磷光的特性，是一种潜在的可实现时间分辨光学成像的TPE-AIP材料。