郝永超，陳 懿

（1．中國科學院 理化技術研究所 光化學轉換和光電信息材料重點實驗室 ，北京100190；2．中國科學院大學，北京100049）

具有大的雙光子吸收截面的有機材料在頻率上轉換激射［1，2］、三維光存儲［3］、三維微加工［4，5］、光動力治療［6－8］等領域受到了廣泛的關注。近年來，由于雙光子熒光顯微鏡的發(fā)展，基于雙光子光誘導的熒光成像成為生物技術領域中的研究熱點［9－11］。對大多數熒光材料而言，單光子的摩爾消光系數為～10－16cm2，而雙光子的吸收截面為～10－50cm4·s／photon，材料的雙光子吸收與激發(fā)光光強的平方有強烈的關聯，因此要產生雙光子吸收，激光光場必須有足夠高的光子密度，只有焦點附近的光強才能達到產生雙光子吸收的光密度條件（在聚焦條件下，雙光子吸收僅局限于物鏡焦點處空間體積約為λ3的小范圍內），所以雙光子光化學過程只局限在焦點附近極小的區(qū)域內。此外，由于雙光子誘導的熒光發(fā)射所用的激發(fā)波長往往是近紅外光，可產生很少的光散射和更深的穿透，在這種情況下，熒光成像可以得到很高的空間分辨率。

雖然雙光子熒光成像吸引了人們極大的興趣，但同時具有雙光子吸收截面大、熒光量子產率高、合成簡單、成本低等具有實用價值的雙光子熒光材料并不多見，限制了這一技術的發(fā)展。因此，開發(fā)具有大的雙光子吸收截面、高的熒光量子產率、以及制備簡單的新型雙光子熒光染料成了材料化學一個研究熱點［12－15］。本文設計合成了具有D－π－A－π－D對稱型結構的化合物2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪1（圖1），研究結果表明，該化合物具有雙光子熒光性質，在820nm波長光激發(fā)下，獲得了較大的雙光子吸收截面（σ＝212GM）。與其它已報道的雙光子熒光染料相比，化合物1具有以下一些優(yōu)點：合成簡單、產率高、熒光量子產率大、雙光子熒光強。

圖1 化合物1的化學結構式

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

核磁共振氫譜和碳譜采用Bruker－400核磁共振儀，TMS為內標，室溫測定；高分辨質譜采用GC－TOF MS質譜儀測試；紫外－可見光吸收光譜采用 Hitachi U－3010紫外分光光度儀測試；熒光發(fā)射光譜采用 Hitachi F－2500熒光分光光度儀測試；雙光子熒光采用鈦寶石飛秒激光器（Ti－sapphire laser）發(fā)出的激光脈沖作為輻射光源，其重復頻率為82MHz，脈沖寬度為120fs。測試時樣品的濃度為1×10－4mol／L，整個測試采用的樣品池均為1．0cm×1．0cm四面通光的石英比色皿。雙光子吸收截面（σ）采用熒光素為參比，根據文獻報道的雙光子熒光方法進行測試計算［16］。

所用試劑和溶劑分別購于北京依諾凱試劑公司和北京化學試劑公司，試劑使用前未經純化，直接使用；光譜測試用溶劑按有機溶劑標準純化方法進行純化。

1．2 化合物1的制備

化合物1的合成線路如圖2所示，其合成方法如下：在100mL的圓底燒瓶中加入2，5－二甲基吡嗪（0．125g，1．16mmol）、叔丁醇鉀（0．26g，2．31mmol）、DMF（25mL）。反應混合物加熱到80℃，反應15min后，加入N，N－二甲基對氨基苯甲醛（0．34g，2．31mmol），反應混合物在80℃下繼續(xù)反應4h，直到原料點消失（TLC檢測反應）。停止加熱，冷卻至室溫，有固體析出，過濾所得固體用石油醚（V）∶乙酸乙酯（V）＝1∶2為洗脫劑，硅膠柱層析分離，得到化合物1（0．35g，紅色固體），產率81%。

1HNMR （CDCl3）：3．02（12H，s），6．72（4H，d，J＝8．9Hz），6．96（2H，d，J＝16．0Hz），7．49（4H，d，J＝8．9Hz），7．62（2H，d，J＝16．0Hz），8．49 （2H，s）。13CNMR （CDCl3，100MHz）：39．3，111．2，118．7，123．7，127．5，132．8，141．7，148．0，149．7。HRMS：calcd．for C24H26N4，370．2158；found，370．2164。

圖2 化合物1的合成路線

1．3 化合物1的雙光子吸收截面的測定

化合物1的雙光子吸收截面使用雙光子熒光法測定［16］。以10－4mol／L 的熒光素 NaOH 水溶液（pH＝11）為 參 比，將1 配 成10－4mol／L 的DMSO溶液，通過測量雙光子誘導熒光的熒光強度，計算出1的雙光子吸收截面，計算公式如下：

式中，σs、σr分別為樣品和參比的雙光子吸收截面，Fs、Fr分別為相同實驗條件下樣品和參比的雙光子誘導熒光積分強度，Φs、Φr分別為樣品和參比的熒光量子產量，cs、cr分別為樣品和參比的濃度，ns、nr分別為樣品和參比的溶劑折射率。

2 結果與討論

化合物1的制備非常簡單，以DMF為溶劑，2，5－二甲基吡嗪和N，N－二甲基對氨基苯甲醛在叔丁醇鉀強堿作用下一步反應即可獲得，產率高達81%。從化合物1氫譜中—CH CH—的耦合常數J＝16．0Hz這一數據可以判斷，2，5－二甲基吡嗪和N，N－二甲基對氨基苯甲醛縮合反應生成的產物2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪分子中的雙鍵結構為反式結構，如圖1所示。

圖3是化合物1在DMSO溶液中的吸收光譜和熒光光譜圖?；衔?在DMSO溶液中有兩個主要的吸收峰分別在460nm （ε＝3．1×104L·mol－1·cm－1）和340nm（ε＝9．2×103L·mol－1·cm－1）。這兩個吸收峰分別對應于化合物1的π→π＊電子躍遷和分子內電荷轉移（N，N－二甲基為給體，吡嗪環(huán)為受體）躍遷。用460nm的光激發(fā)，得到如圖3所示的化合物1的熒光光譜圖。從圖3可以看到，化合物1在DMSO溶液中的最大發(fā)射波長在570nm。以羅丹明B（Φf＝0．31，H2O）為參比，測得化合物1在DMSO溶液中的相對熒光量子產率為0．27，大的熒光量子產率表明化合物1在DMSO溶液中有強的熒光發(fā)射。

圖3 化合物1在DMSO溶液（1×10－5 mol／L）中的吸收光譜和熒光光譜圖

對化合物1在其他溶劑中的吸收和熒光性質也進行了表征。從表1的實驗數據可以看到，化合物1表現出正的溶致變色效應：最大吸收波長和熒光發(fā)射峰隨溶劑極性的增大發(fā)生紅移。此外，還可以看到：化合物1的熒光量子產率隨溶劑極性增大而依次減小，表現出常見的正溶致動力學效應。這些實驗結果證實了化合物1在極性溶劑中發(fā)生分子內的電荷轉移躍遷。

采用Ti：sapphire的激光作為激發(fā)光源，測定了化合物1在DMSO溶液中的雙光子熒光。所測溶液的濃度為1×10－4mol／L，激發(fā)波長從720nm到920nm，每相隔10nm作為一個激發(fā)波長，并采用熒光參比法，以熒光素為參比，得到了化合物1從720nm到920nm的雙光子吸收截面（圖4）。從圖4中可以看到，化合物1從730nm到790nm波長范圍內的雙光子吸收截面（σ＝200GM）沒有明顯變化，其對應著單光子吸收范圍360～400 nm。從圖3可以看到，化合物1在DMSO溶液中短波長處的單光子吸收峰在310～400nm處沒有明顯差別，受激光器本身調諧波長的限制，激光器波長最小調到720nm，因而310～350nm所對應的雙光子吸收在620～700nm左右的吸收截面無法測得，化合物1在920nm處（對應單光子吸收峰460nm）的雙光子吸收截面為28．5GM。從圖4中可以看到，化合物1的最大雙光子吸收截面（σ＝212GM）出現在820nm處。從上述結果看到，化合物1的雙光子吸收截面（σ＝212GM）不是很理想。導致化合物1的雙光子吸收截面小的原因可能是分子中吡嗪環(huán)上的N原子所致。有機分子的雙光子吸收截面受到共軛程度和分子內電荷轉移等因素的影響，共軛程度越大，分子內電荷轉移越強，雙光子吸收截面就越大。與苯環(huán)上的C原子性質不同，吡嗪環(huán)上的N雜原子具有吸電子性質，導致吡嗪環(huán)上的電子不是均勻分布在吡嗪環(huán)上，降低了分子的整體共軛程度。

表1 化合物1在不同溶劑中的光譜數據Optical data of 1in different solvents

圖4 化合物1在不同激發(fā)波長下DMSO （1×10－4 mol／L）中的雙光子吸收截面

化合物1在DMSO溶液的雙光子熒光發(fā)射如圖5所示。用920nm的光激發(fā)，在595nm處出現了一個強的熒光發(fā)射峰。與單光子熒光相比，雙光子熒光發(fā)生了25nm的紅移，引起這種熒光紅移的原因是溶液的再吸收［17］。通常，單光子熒光光譜在低濃度下測得，低濃度下的溶液再吸收現象可以忽略，因此熒光光譜表現為正常的發(fā)射峰。而雙光子熒光光譜必須在高濃度下進行測試，在高濃度情況下，發(fā)出的熒光作為二次吸收的泵浦光重復被溶液吸收，導致熒光光譜發(fā)生紅移。

圖5 化合物1在DMSO溶液（1×10－3 mol／L）中的雙光子熒光發(fā)射光譜圖

圖6 化合物1在DMSO溶液（1×10－4 mol／L）中不同激發(fā)光功率下雙光子誘導熒光光譜圖

化合物1熒光強度隨激發(fā)光功率增加而變化的情況如圖6所示。從圖6可以看到，當用920 nm波長的光激發(fā)時，化合物1的熒光強度隨激發(fā)光功率的增大而明顯增強，當激發(fā)光功率從16 mW增大到142mW時（8．8倍），其熒光發(fā)射強度從9．6a．u．增大到420．7a．u．（43．8倍）。對于雙光子誘導的熒光，一個顯著的特性是熒光發(fā)射強度隨激發(fā)光功率的增加而增強，且與激發(fā)光功率的平方成正比關系［18］。將圖6中的熒光強度和激光功率取對數后作圖，得到了如圖7所示的熒光強度與激光功率關系圖。從圖7看出，以lgF（熒光強度取對數）為縱坐標，lgP（激光功率取對數）為橫坐標作圖，得到一條直線，其斜率約為1．64。熒光強度與激光功率之間很好的相關性（R2＝0．99）證明化合物1在920nm波長光激發(fā)下所發(fā)射的熒光確實為雙光子誘導機制。

圖7 化合物1在DMSO溶液（1×10－4 mol／L）中雙光子誘導熒光強度與激發(fā)光功率關系圖

3 結論

利用飛秒激光研究了2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪雙光子性質。實驗結果表明，2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪具有雙光子吸收特性，在820nm處的最大雙光子吸收截面為212 GM。熒光性質表明，2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪在近紅外光（920nm）激發(fā)下具有強熒光發(fā)射，其熒光強度隨激光功率的增大而增強，且與激光功率的二次方有很好的線性關系，證明了2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪在近紅外光照下的發(fā)光為雙光子誘導發(fā)光機制。

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