南京大学燕红课题组Angew：含硼同位素在发光材料及硼中子俘获疗法（BNCT）中的应用潜能

高性能有机发光材料广泛用于多色显示、防伪技术、信息加密和传感等重要领域。为了获得高效的发光材料，研究人员探索了多种设计策略，包括设计聚集诱导发光（AIE）分子、π-共轭分子和刺激响应分子等。除了这些策略外，近年来氢同位素在光功能材料和基础研究中的应用备受关注。然而，关于硼同位素效应对发光材料光物理特性的影响尚未得到深入研究。硼元素有两种天然稳定的同位素，¹⁰B（19.78%）和¹¹B（80.22%）。因此，碳硼烷（例如C₂B₁₀H₁₂）作为一类具有3D芳香性和取代位置依赖的电子效应的富硼基团，是研究硼同位素效应的理想对象，这促使我们研究硼同位素效应对碳硼烷基发光分子光物理行为的影响，并以此开发其潜在应用。

近日，南京大学燕红教授、香港中文大学（深圳）唐本忠院士和江苏省中医院许秦风副主任医师合作，以碳硼烷作为研究硼同位素效应的对象，设计并合成了富含98% ¹⁰B和95% ¹¹B丰度的碳硼烷基发光材料，探讨了硼同位素效应对发光材料光物理性质的影响，及其在生物成像中的潜在应用。

图1. 设计合成的¹⁰B及¹¹B-碳硼烷基发光化合物

研究表明（图2），与富含¹⁰B的发光材料相比，富含¹¹B的发光材料的光物理性质显著提升，如固态发光效率提高（9.9% vs 39.9%），发光光谱的半峰宽变窄（127 vs 94 nm），发光寿命延长（3.20 vs 3.45 ns）。进一步通过实验以及密度泛函理论（TD-DFT）揭示了硼同位素效应影响光物理性质（如非辐射跃迁速率）的关键机制。此外，还观察到富含¹¹B的发光材料具有更高的热稳定性（387 vs 405°C）、红移的B–H振动以及四倍增强的电化学发光强度。

图2. 硼同位素效应对发光材料光物理性质的影响及其在生物成像中的潜在应用

作者也利用硼同位素效应，将聚集诱导发光（AIE）与硼中子俘获治疗（BNCT）相结合，发现了一种具有AIE特性以及高硼含量的硼携带剂。研究结果显示，富含¹⁰B的硼携带剂在生物学评估中显示了低毒性、高硼摄取量和优异的荧光成像能力。与已获批硼药BPA和BSH的无成像功能或硼含量低相比，该新型硼携带剂表现了在BNCT疗法中的潜在应用价值。

图3. 调控发光新策略—硼同位素效应

综上，这项工作是首次对硼簇基有机发光材料硼同位素效应进行的系统性研究，鉴于含硼分子的广泛应用，硼同位素效应在设计硼基光电材料（如太阳能电池、光电探测器和有机发光二极管等）以及含硼药物等方面具有极大潜力。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是南京大学博士生马文丽和格罗宁根大学博士后张鉴予。该项工作得到科技部、国家自然科学基金委及江苏省科技厅的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Luminescence Modulation in Boron-Cluster-Based Luminogens via Boron Isotope Effects

Wenli Ma, Jianyu Zhang, Jibo Zong, Hongyuan Ren, Deshuang Tu, Qinfeng Xu, Ben Zhong Tang and Hong Yan

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202410430

导师介绍

燕红

https://www.x-mol.com/university/faculty/11500 

唐本忠

https://www.x-mol.com/groups/Agg_optoelectronics