哈工大化工与化学学院陈冠英教授开发出在空气中具有极高稳定性的纯有机上转换体系

哈工大全媒体（梁英爽 王心宇 文/图）近日，化工与化学学院陈冠英教授团队在有机三重态-三重态湮灭（TTA）上转换领域取得重要研究进展，研究成果以《具有本征氧免疫性质的分子近红外三重态-三重态湮灭上转换》（Molecular Near-Infrared Triplet-Triplet Annihilation Upconversion with Eigen Oxygen Immunity）为题，发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该成果全面揭示了氧气对传统TTA上转换系统的猝灭机制，成功开发了在空气中具有极高稳定性的纯有机上转换体系，在光催化、太阳能电池以及生物医学等领域具有广阔的应用前景。

TTA上转换是独特的给体-受体体系，能将非相干光（如近红外太阳光）辐照转换为更高能量的可见区荧光。然而，几乎所有的TTA上转换系统都面临着共性难题，即TTA组分的三重态与基态氧分子之间的相互作用会导致严重的能量损耗和分子结构损坏。由于基态氧分子广泛存在于各种实际环境中，因此，这一问题严重阻碍了TTA上转换系统的实际应用。

基于此，陈冠英教授团队选择了不含任何重金属原子的近红外花菁染料（IR806）作为TTA敏化剂，合成了一系列非线型氮杂稠环芳烃二聚体分子（BTTQDs）作为湮灭剂，成功构筑了一类基于近红外激发（808纳米），深红色发射（大于650纳米）的TTA上转换体系。在空气中，该体系能在长时间连续激光照射下（超过480分钟）产生超稳定的红色上转换荧光，与常见的TTA体系中剧烈的发光猝灭形成明显对比。此外，经过7天空气环境存储后，该体系依然保持高发射亮度（超过初始强度的80%），而传统的TTA上转换体系在存储不到两天后荧光就会完全熄灭。机理分析表明，IR806向BTTQDs的三重态-三重态能量传递速率比氧气对IR806三重态的猝灭速率快约5倍，而氧气对敏化剂和湮灭剂三重态的猝灭效率极低（给体小于13%，受体小于3.7%），进一步赋予了该体系具有固有的氧免疫特性。

该研究全面揭示了氧气猝灭TTA-UC的机制，并通过对TTA给、受体的合理设计成功避开不利因素，赋予了体系氧免疫性质。与此同时，为证明所开发的稳定体系在实际应用研究中的应用潜力，团队还将TTA体系转移至水相中，制备了TTA纳米胶束并成功将其应用于活体小鼠肝毒性的动态荧光监测中，进一步表明该体系在生物体内具有出色的稳定性和生物相容性。

哈工大为论文第一通讯单位。化工与化学学院陈冠英教授为论文通讯作者，夏德斌教授为论文共同通讯作者，博士研究生王心宇为论文第一作者，博士研究生丁方伟为论文共同第一作者。化工与化学学院博士研究生贾涛、李凤，本科生丁希平、邓锐斌，杨玉林教授、林凯峰教授，黑龙江大学吴文智教授参与相关研究工作。

该研究获国家自然科学基金、哈工大青年科学家工作室等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46541-z

团队开发的空气中光学稳定的有机TTA上转换体系（IR806-BTTQDs）及其激发态动力学过程