具有刺激响应特性的双光子吸收聚集诱导发光材料的合成及生物成像应用

Since the effect of aggregation-induced emission (AIE) could perfectly surmount the problem of aggregation-caused quenching (ACQ) for the conventional organic two-photon absorption (TPA) dyes using in two-photon laser scanning confocal microscope (TPM), the development of efficient TPA-AIE luminophores is promising to make a breakthrough in current TPM technology. Nevertheless, AIE materials with large TPA cross-section and high fluorescent quantum yield synchronously in aggregation state are extremely scarce and almost all of the TPA-AIE compounds are non-responsive to external stimuli. As a result, current TPA-AIE labels exhibit poor performance in TPM imaging and are difficult to distinguish the healthy tissue and the abnormal cells. Accordingly, the main purpose of this project is to create efficient TPA-AIE luminophores with large TPA cross-section and high fluorescent quantum yield simultaneously for cancer cell imaging and diagnose by constructing new molecules with two or more typical AIE moieties, appropriate push-pull electronic effect, high degree of molecular conjugation and functional group for the response to external stimuli. Through the systematic study of the relationship of molecular structure, properties of TPA-AIE dyes and performance of TPM imaging, it is expected to achieve high performance TPA-AIE labels for high-quality biological imaging and therapy. Therefore, this project is significant to both theoretical study and practical applications.

聚集诱导发光（AIE）能有效解决双光子激光扫描共聚焦显微镜（TPM）中传统有机双光子吸收（TPA）荧光染料标记物的聚集浓度猝灭问题，故开发高效TPA-AIE材料将有望突破TPM的技术瓶颈。然而，目前同时具有高双光子吸收截面值和高固体荧光量子产率的AIE材料的种类和数量均极其稀少。而且现有的TPA-AIE材料极少能对外界刺激产生响应，即对生物组织环境的辨识度不高，极大地影响着成像的效果。本项目拟在引入两种或种以上典型AIE基团的基础上，通过合理调控受体拉电子能力、给体推电子能力、分子共轭程度以及引入能对外界环境刺激产生响应的功能性基团来获得双光子吸收截面大、荧光量子产率高且具有刺激响应特性TPA-AIE材料并将其应用于肿瘤细胞组织的成像诊断与治疗。通过探索分子结构与材料性能以及TPM成像质量之间关系的规律，为进一步的分子结构优化与获得更为理想的成像效果提供理论基础。

聚集诱导发光（AIE）能有效解决双光子激光扫描共聚焦显微镜（TPM）中传统有机双光子吸收（TPA）荧光染料标记物的聚集浓度猝灭问题，故开发高效TPA-AIE材料将有望突破TPM的技术瓶颈。本项目在引入两种典型AIE基团的基础上，通过合理的分子结构设计，成功制备出了荧光量子产率高而且具有刺激响应特性的TPA-AIE材料，探讨了分子结构和材料性能之间的关系，并且将所得材料应用于肿瘤细胞的线粒体荧光成像以及小鼠体内肿瘤组织的荧光成像，获得了较好的成像效果。在此基础上，我们还对新型刺激响应AIE材料以及具有长寿命发光性质的刺激响应有机发光材料进行了有效探索。开发出了第一个不含重原子却能实现室温磷光发射的单分子白光材料体系，揭示了其力刺激发光变色和热刺激发光变色现象产生的机理；发展了一类同时具有显著力刺激发光和光致长寿命室温磷光发射特性的AIE材料，并且首次报道了有机材料的力刺激长余辉发光现象；开发出了到目前为止力刺激发光变色性能最好的力刺激发光AIE对映体，探讨了材料力刺激双重发光响应的机制。相关结果为高效刺激响应AIE材料的构建及其在传感和生物成像方面的应用提供了良好基础。项目执行期间，共发表高水平SCI论文6篇。其中，发表在化学领域顶级学术期刊Angewandte Chemie International Edition上的论文被选为内封底文章，3篇论文分别被欧洲大陆化学出版协会(ChemPubSoc Europe)的ChemistryViews 杂志和材料领域国际权威学术期刊Materials Chemistry Frontiers选为研究亮点报道。此外，还申请了中国发明专利2项，培养硕士研究生1人。