Aggregate | 水溶液中纯有机分子的室温磷光发射

有机室温磷光材料因其在智能防伪、生物成像、化学传感、信息加密等领域的广阔应用前景，近年来已成为化学和材料科学领域的前沿课题之一。目前，科研人员通过共结晶、主客体掺杂等策略已经在固体状态下实现了纯有机化合物的高效室温磷光发射。然而，在溶液状态下，特别是在水溶液状态下，实现有机室温磷光发射仍是一个巨大的挑战，这是因为水中溶解的氧气以及分子运动引起的非辐射跃迁会显著猝灭三线态激子。近年来，关于水溶液中有机室温磷光材料的报道不断增加，但是仍然有限，相关研究也缺乏系统综述。

近日，复旦大学朱亮亮课题组综述了水相有机室温磷光的研究现状，归纳评述了该领域近期的代表性研究成果，总结了开发水相有机室温磷光的有效设计策略以及水相有机室温磷光在生物成像和传感方面的应用。此外，对材料的设计和应用提出了具体的观点，同时也对该领域现存的挑战和未来的发展进行了讨论。

作者首先基于磷光机理讨论了实现水相室温磷光所面临的问题。1、对于纯有机分子而言，其单线态到三线态的系间窜越效率（ISC）很低而且自旋轨道耦合很弱(SOC)；2、分子在水中的振动和旋转会打开非辐射通道，导致磷光淬灭，而且水中溶解的氧气也会淬灭三线态激子。针对以上问题，研究人员通过在有机分子中引入重/杂原子以促进系间窜越效率，然后通过分子自组装等策略构建一个相对刚性的微环境以限制非辐射跃迁，从而实现水溶液中高效的室温磷光发射。

作者总结了两种实现水相室温磷光的高效策略：磷光分子纳米粒子化以及大环超分子自组装。由于大多数有机分子在水溶液中很难溶解，其在水溶液中会自组装形成纳米粒子。对于磷光分子而言，重/杂原子的引入有效地促进了系间窜越，而其在水中形成纳米粒子后又可以提供刚性的微环境，抑制分子非辐射跃迁，从而实现水溶液中的室温磷光发射。此外，葫芦脲等具有刚性结构的大环主体分子在水溶液中可以与客体分子形成稳定有序的组装体，主客体分子之间的相互作用可以显著限制客体分子振动，抑制非辐射跃迁并且避免氧猝灭效应，从而实现高效的室温磷光发射。

作者紧接着介绍了水相有机室温磷光在生物成像和传感领域的应用。有机室温磷光材料因其低毒性、长寿命以及大的stokes位移等优点，在生物成像领域具有极大地应用前景。作者结合具体的文献，介绍了在水溶液中具有室温磷光发射的材料在细胞成像、时间分辨成像以及活体成像方面的应用。此外，有机室温磷光材料在传感领域也具有广阔的应用前景。与荧光传感器相比，磷光传感具有大stokes位移、高灵敏度、高信噪比等优势。作者分别介绍了水相室温磷光在氧气检测、抗生素检测以及金属离子检测方面的具体应用。

最后，作者对该领域现存的挑战以及未来的发展进行了讨论。首先，大多数报道的水相室温磷光寿命较短或磷光量子效率较低。其次，大部分报道的水相室温磷光都是紫外光激发的，而且发光波长多位于可见光区域，具有红光和近红外发光的水相室温磷光报道较少。第三，应进一步开发和拓展水相有机室温磷光材料的潜在应用。第四，开发具有刺激响应性质的水相有机室温磷光材料可能是相关领域的一个重要发展方向。针对以上问题，作者也提出了可能策略以解决相关问题。相关综述以“Achieving purely organic room temperature phosphorescence in aqueous solution”为题发表于Aggregate上，课题组博士后孙浩为论文第一作者。

全文信息：

Hao Sun, Liangliang Zhu*, Achieving purely organic room temperature phosphorescence in aqueous solution,Aggregate 2022, DOI: 10.1002/agt2.253

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《聚集体（英文）》（Aggregate）创刊于2020年，是由华南理工大学、广东省大湾区华南理工大学聚集诱导发光高等研究院、Wiley 出版社三方合作创办的开放获取式英文学术期刊（双月刊）。本刊致力于报道出版“聚集”过程中的基础和应用研究的前沿科学，包括但不限于材料、化学、物理、生物以及应用工程等领域。聚集体科学研究范围广泛，单分子层次之上均可视为聚集体。特别是功能材料、化学、物理、生物技术、生命科学以及应用工程等领域的重要进展，为学术界搭建一个交流思想和意见的新平台，去分享聚集体研究的新发现和新突破，讨论聚集体研究的挑战和机遇。期刊于2023年获得首个影响因子18.8，JCI指数1.47，先后收录于DOAJ、ESCI、CAS等数据库。