温度敏感型强发光分子的设计、光物理性质与性能研究

Temperture is the most frequently measured physical quantity because of its important role in almost all physical, chemical, and biological processes. With the rapid development of science and technology, many new areas from nanoscience to marine research have a higher demand on the accurate temperature measurements. The materials consisted of multi-components for the ratiometric luminescence temperature measurements have received considerable attention. The sole problem for ratiometric luminescent thermometer is how to develop a single component temperature sensitive material with broad adaptability. We recently found that a new triarylboron compound exhibited high quantum efficiency in a very wide temperature range and is with the ability to change its luminescent color at different temperature. In the project, with the aids of computations, we intend to design and synthesize a series of compounds with temperature-sensitive ratiometric luminescence. Relationship between chemical structures, quantum yields and temperature-sensitive luminescent properties would also be investigated by steady and transient state spectroscopy methods. Thus, the mechanism of temperature-sensitive ratiometric intense luminescence would be exposited, providing novel concepts and experimental evidences for high-performance temperature-sensitive luminescent materials.

自然界中几乎所有的物理、化学、生物过程都与温度紧密相关，因此温度是一个需要普遍进行测量的物理变量。随着科技的快速发展，不断涌现出新的研究领域，从微小尺度的纳米科学到广阔的海洋研究，都对各种环境下的精确温度测量提出了更高的要求。以多组分温敏发光物质为核心的比例发光温度测量目前受到了广泛关注。该领域面临的难题是如何发展一种具有广泛环境适应性的单一发光组分的温敏比例发光材料。最近我们发现一种三芳基硼化合物在很宽的温度范围都呈现高量子效率的发光，并且发光颜色随温度的改变而相应变化。在此基础上，本项目拟结合化学计算方法，设计合成一系列具有温敏比例发光性质的化合物。通过各类稳态、瞬态光谱手段，对化合物的结构、发光量子效率、温敏发光性能间的关系进行深入研究，探索这类化合物中出现温敏比例强发光现象的规律。为设计和制备高性能的温敏发光材料提供新的思路和重要的实验依据。

温度是最基本的物理量之一，多个学科的科研、生产、实践中都要求对温度准确测量。而采用荧光法测量温度，可实现原位的、非侵入性检测，有效避免检测体系对待测体系的干扰。另外，荧光检测法也可用于可视化检测。基于以上优点，配合荧光共聚焦显微镜、双光子荧光显微镜、小动物活体成像系统等设备，荧光法也是生物科学最常使用的检测手段之一。我们先前的研究表明，π-共轭三芳基硼化合物通常发光效率较高，且其发光具有明显的环境响应性，已被用作溶液体系中的荧光温度探针。本项目继续拓展了π-共轭三芳基硼化合物的应用范围，基于其分子内电荷转移（ICT）特性设计了一系列荧光效率高、稳定性好的双色荧光温度探针。本项目采用更小的吗啉基苯基代替芘基作为硼的取代基，有效地解决了由于固态材料中自由体积过小，芘基团的转动受限而无法实现温度检测的问题，从而制备可应用于高分子体系的荧光温度计。为了实现细胞内的微观温度测量，本项目采用了具有温度敏感型高分子聚异丙基丙烯酰胺，利用交联聚异丙基丙烯酰胺纳米颗粒在不同温度下的不同极性，将修饰有水溶性调节基团的π-共轭三芳基硼化合物共价连接于其上，即可通过π-共轭三芳基硼化合物发光的极性敏感型来表征温度变化。本项目的研究加深了课题组对π-共轭三芳基硼化合物结构与性能特征、高稳定性染料设计、荧光生物探针设计的认识，因此在此基础上，本项目又探究了π-共轭三芳基硼化合物在生物小分子荧光检测的应用，并设计了一系列光限幅材料和光限幅器件。