周園方

(江西科技師范大學(xué)，江西科技師范大學(xué)有機(jī)功能分子研究所，南昌 330013)

1 引言

傳統(tǒng)的有機(jī)熒光材料在稀溶液中有著很強(qiáng)的熒光，但在高濃度或者聚集態(tài)下熒光會(huì)發(fā)生減弱甚至不發(fā)光，人們把這一現(xiàn)象定義為“聚集誘導(dǎo)熒光猝滅”(ACQ)，這一現(xiàn)象極大阻礙了有機(jī)熒光材料的發(fā)展[1]。造成這一現(xiàn)象的原因是由于大部分有機(jī)發(fā)光分子內(nèi)部存在著大π共軛平面，當(dāng)分子形成聚集體時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的π-π堆積作用，導(dǎo)致有機(jī)發(fā)光分子的熒光猝滅。2001年，唐本忠院士團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)一種反ACQ現(xiàn)象的分子六苯基噻咯(HPS)，它在THF純?nèi)芤褐袔缀鯚o(wú)熒光，而在聚集態(tài)下發(fā)出極強(qiáng)的青綠色熒光，他們把這個(gè)現(xiàn)象定義為“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”(AIE)[2]。通過HPS的晶體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各個(gè)苯基與噻咯環(huán)之間處于高度扭曲的狀態(tài)，使得整個(gè)HPS分子呈現(xiàn)出螺旋槳的形態(tài)，在聚集態(tài)下，HPS分子緊密堆積在一起，高度扭曲的非平面構(gòu)象限制了分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)，阻止了分子之間的π-π堆積，使得熒光大幅度增強(qiáng)。因此，分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限(RIR)機(jī)制成功地解釋了HPS具有AIE特性的機(jī)理[3]。目前報(bào)道的關(guān)于AIE現(xiàn)象的機(jī)理主要包括分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限機(jī)理(RIR)，分子內(nèi)振動(dòng)受限機(jī)理(RIV)，分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受阻機(jī)理(RIM)以及扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)等[4]。聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料自發(fā)現(xiàn)以來(lái)在化學(xué)傳感，刺激響應(yīng)材料，生物成像等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[5]。

蒽是最早應(yīng)用于有機(jī)發(fā)光二極管的一類材料，但是蒽又是典型的受ACQ效應(yīng)影響的熒光團(tuán)，基于克服蒽ACQ這一困難的研究從未停止過。2006年，田文晶課題組報(bào)道出了一系列具有AIE性質(zhì)的9，10-二苯乙烯基蒽(DSA)類衍生物，成功拓展了蒽類化合物在光學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用[6]。目前基于蒽的AIE材料大多數(shù)是以DSA為母體進(jìn)行進(jìn)一步修飾，其他具有AIE特性的蒽類衍生物鮮有報(bào)道。通過前期工作，我們發(fā)現(xiàn)9，10-二噻吩基蒽(DTA)與9，10-二苯乙烯基蒽(DSA)具備同樣的AIE性質(zhì)，且通過晶體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上兩者都有相似的非平面扭曲構(gòu)象[7，8]。目前，以DTA為母體分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的AIE分子較少。三苯胺是優(yōu)良的光電材料，是典型的螺旋槳狀的非平面扭曲結(jié)構(gòu)，能有效阻止分子間出現(xiàn)相互作用或緊密堆積，有利于防止ACQ現(xiàn)象，構(gòu)建AIE化合物，同時(shí)也具有很強(qiáng)的給電子能力，是構(gòu)建長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射的AIE化合物的一個(gè)重要功能片段[9]。氰基有很強(qiáng)的吸電子能力，同時(shí)氰基有利于誘導(dǎo)空間位阻并導(dǎo)致扭曲的構(gòu)象[10]。在本項(xiàng)研究工作中，通過將三苯胺與苯乙烯腈連接到DTA母體兩側(cè)形成“D-π-A”結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，形成分子內(nèi)推拉電子作用，從而達(dá)到對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

9，10-二溴蒽、5-溴-2-噻吩硼酸、5-醛基-2-噻吩硼酸、三苯胺-4-硼酸、苯乙腈、四丁基氫氧化銨、氯化鈀、三苯基膦、氯化鈉、無(wú)水硫酸鈉、無(wú)水碳酸鈉、四氫呋喃、石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷、無(wú)水乙醇和二甲基亞砜，本實(shí)驗(yàn)所涉及的以上藥品試劑均購(gòu)自北京伊諾凱科技有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；循環(huán)水真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；核磁共振儀，德國(guó)Bruker公司；高分辨質(zhì)譜儀，美國(guó)Agilent公司；紫外-可見光譜儀，美國(guó)Agilent公司；熒光光譜儀，日本Hitachi公司；絕對(duì)熒光量子產(chǎn)率儀，日本濱松公司；熒光共聚焦成像儀，日本Olympus公司；顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀，上海精密儀器公司；X-射線衍射儀，日本島津公司；納米粒度分析儀，美國(guó)Brookhaven公司。

2.3 合成路線

圖1為TPA-DTA-PA的合成路線，將中間體1(0.60 g，1.34 mmol)與三苯胺-4-硼酸(0.58 g，2 mmol)通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)加熱回流12 h，終止反應(yīng)，冷卻至室溫，旋干THF，產(chǎn)物用二氯甲烷萃取三次，有機(jī)相依次用水和飽和氯化鈉溶液萃取三次，用無(wú)水硫酸鈉干燥有機(jī)相6 h，過濾，旋干有機(jī)相，粗產(chǎn)物用石油醚：二氯甲烷(V/V=2：1)為洗脫劑硅膠柱色譜純化得到中間體2(0.40 g，0.65 mmol)，產(chǎn)率49 %。將中間體2(0.40 g，0.65 mmol)與苯乙腈(0.08 g，0.7 mmol)加入到含有無(wú)水乙醇20 mL的單口燒瓶中，待加熱至回流后，滴加5滴四丁基氫氧化銨催化，繼續(xù)保持加熱回流2 h后，終止反應(yīng)，待冷卻至室溫后，瓶底有大量黃色沉淀析出，抽濾，無(wú)水乙醇沖洗固體三次，得到終產(chǎn)物TPA-DTA-PA(0.39 g，0.55 mmol)，產(chǎn)率85 %。結(jié)構(gòu)鑒定：M.p.210～211 ℃；1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)：δ 8.46(s，1H)，8.04(d，J=4.0 Hz，1H)，7.87-7.75(m，6H)，7.62-7.32(m，16H)，7.23(d，J=8.0 Hz，6H)，7.14(d，J=8.0 Hz，2H)；13C NMR(100 MHz，DMSO-d6)：δ 147.04，138.74，135.32，133.43，131.81，131.04，130.93，130.76，129.33，129.03，128.39，127.57，125.99，125.65，124.52，123.48，122.34.ESI-MS：計(jì)算值：m/z=713.2007，[M+H+]實(shí)測(cè)值為713.2013。

圖1 TPA-DTA-PA的合成路線

3 結(jié)果與討論

3.1 聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)

為了驗(yàn)證TPA-DTA-PA的AIE的特性，我們分別測(cè)試了它在不同含水量下的紫外和熒光光譜性質(zhì)，其中THF是良性溶劑，水是不良溶劑。如圖2A所示，當(dāng)TPA-DTA-PA的水含量在0 %-60 %之間時(shí)，其最大吸收波長(zhǎng)的位置無(wú)明顯變化，吸收強(qiáng)度變?nèi)?；熒光光譜性質(zhì)表明其在純THF溶液中熒光發(fā)射波長(zhǎng)位于579 nm(fw=0 %)，顯示出弱的黃色熒光。當(dāng)含水量從0 %逐漸增大到60 %，TPA-DTA-PA的熒光強(qiáng)度逐漸下降，且發(fā)射波長(zhǎng)呈現(xiàn)略微紅移，造成這一結(jié)果的可能原因是隨著混合溶劑極性的增加，導(dǎo)致分子內(nèi)產(chǎn)生扭曲的電荷轉(zhuǎn)移(TICT)效應(yīng)[11]。隨著含水量進(jìn)一步增大(fw：70 %→90 %)，TPA-DTA-PA在260 nm處的吸收強(qiáng)度顯著減弱，表明隨著不良溶劑含量的增大，化合物分子發(fā)生了聚集效應(yīng)，導(dǎo)致混合溶液中的光轉(zhuǎn)化能力大幅下降造成了米氏散射(Mie)效應(yīng)；同紫外吸收相比，熒光光譜的變化更加顯著，隨著水分比的逐漸增大(fw：70 %→90 %)，其熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)fw達(dá)到90 %時(shí)，此時(shí)，其熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，較純THF溶液中增大約4倍，最大發(fā)射波長(zhǎng)藍(lán)移了11 nm，位于568 nm處，熒光顏色從的淺黃色熒光變?yōu)槊髁恋狞S色熒光。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TPA-DTA-PA具有明顯的AIE特性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證TPA-DTA-PA在THF/H2O混合溶液中發(fā)生了聚集以及所產(chǎn)生聚集體的粒徑，我們利用動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)測(cè)試了所形成的的納米聚集體的粒徑，如圖2B所示，TPA-DTA-PA在含水量為90 %的混合溶液中的納米顆粒平均尺寸為264 nm，說明在高含水量條件下，TPA-DTA-PA形成了緊密堆積的納米聚集體。

圖2 (A)化合物TPA-DTA-PA在不同比例下的THF/H2O中的紫外吸收和熒光光譜圖(C=2×10-5mol L-1)；(B)化合物TPA-DTA-PA在含水量為90 %的混合溶液中的粒徑分布圖

此外，我們還測(cè)試了TPA-DTA-PA在不同水分比條件下的熒光量子產(chǎn)率，如圖3所示，其在純THF溶液中的熒光量子產(chǎn)率為5.8 %，在含水量為0 %-60 %的過程中，熒光量子產(chǎn)率由于TICT效應(yīng)逐漸下降。當(dāng)水分比增加到70 %時(shí)，熒光量子產(chǎn)率急劇增大，在含水量為90 %時(shí)，達(dá)到8.1 %，該結(jié)果說明在高水分比條件下，TPA-DTA-PA分子中的芳香環(huán)的旋轉(zhuǎn)受到限制，其非輻射躍遷通道被抑制，輻射躍遷通道被打開，熒光量子產(chǎn)率顯著增強(qiáng)[12]。

圖3 TPA-DTA-PA在不同比例下的THF/H2O中的熒光量子產(chǎn)率以及在水分比分別為0 %和90 %下的熒光照片

3.2 機(jī)械熒光變色性質(zhì)

同其它AIE化合物類似[13，14]，化合物TPA-DTA-PA也具有可逆的機(jī)械熒光變色性質(zhì)(MFC)。在365 nm紫外燈的照射下，TPA-DTA-PA的初始固體粉末發(fā)射出黃綠色熒光，從固體熒光光譜數(shù)據(jù)可知，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)位于563 nm(圖4A)，將其研磨后，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)紅移至583 nm(Δλ=20 nm)，同時(shí)熒光顏色變?yōu)槊髁恋狞S色(圖4A)，表明TPA-DTA-PA具有典型的MFC行為。該結(jié)果表明在外力的作用下，TPA-DTA-PA分子之間的相互作用力被破壞，導(dǎo)致分子之間的距離減小，堆積更加緊密，排列趨于平面化，由于增大了共軛程度引起了發(fā)射波長(zhǎng)的紅移，導(dǎo)致了熒光顏色的改變[15]。當(dāng)用二氯甲烷蒸氣對(duì)其研磨后的樣品進(jìn)行熏蒸后，其發(fā)射波長(zhǎng)及熒光顏色又可逆的恢復(fù)到初始態(tài)(圖4A)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其MFC的變化機(jī)理，我們利用X-射線粉末衍射法(XRD)分析了TPA-DTA-PA樣品研磨前后的變化。如圖4B所示，TPA-DTA-PA的初始樣品表現(xiàn)出強(qiáng)烈又尖銳的衍射峰，說明其分子是高度且有序排列的微晶結(jié)構(gòu)。然而，在研磨以后，尖銳的衍射峰出現(xiàn)了下降甚至是消失的現(xiàn)象，這說明了在受到外力作用以后分子的排列發(fā)生改變，并且非晶結(jié)構(gòu)代替了穩(wěn)定的微晶結(jié)構(gòu)，在用二氯甲烷蒸汽熏蒸以后，其最初的強(qiáng)烈且尖銳的衍射峰再次出現(xiàn)，說明分子從非晶相又回到了晶相。XRD粉末衍射實(shí)驗(yàn)表明機(jī)械力刺激改變了TPA-DTA-PA分子的堆積方式，晶相與非晶相之間的相互轉(zhuǎn)換是導(dǎo)致可逆機(jī)械熒光變色的重要原因[16]。

圖4 (A)不同條件下的TPA-DTA-PA的固體熒光光譜圖；(B)TPA-DTA-PA在不同條件下的XRD圖

3.3 生物成像

此外，利用激光共聚焦顯微鏡，我們還測(cè)試了化合物TPA-DTA-PA細(xì)胞熒光成像的能力。為了進(jìn)一步探討TPA-DTA-PA分子是否能夠穿過細(xì)胞膜并在活細(xì)胞中進(jìn)行染色，我們進(jìn)行了熒光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)成像。選擇HeLa細(xì)胞作為模型與TPA-DTA-PA分子一起進(jìn)行培養(yǎng)，在37 ℃條件下，用HeLa細(xì)胞與TPA-DTA-PA懸浮液在培養(yǎng)基中孵育0.5 h后，用CLSM對(duì)HeLa細(xì)胞進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，用400 nm激光進(jìn)行激發(fā)，并在550 nm～650 nm處收集到熒光信號(hào)。熒光成像照片如圖5所示，我們可以清晰地觀察到，黃綠色熒光均勻的分布在細(xì)胞質(zhì)中。結(jié)果表明，TPA-DTA-PA可以進(jìn)入HeLa細(xì)胞，并能成為生物成像中潛在的熒光染料。

圖5 TPA-DTA-PA(20 μM)在HeLa細(xì)胞中的熒光共聚焦成像圖：從左到右依次是暗場(chǎng)，明場(chǎng)和覆蓋場(chǎng)圖像

4 結(jié)論

總之，我們合成了一種具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性的9，10-二噻吩基蒽衍生物(TPA-DTA-PA)，其表現(xiàn)出明顯的聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，在低水分比時(shí)(fw<60 %)時(shí)，其熒光強(qiáng)度隨著fw的逐漸增大而減弱；當(dāng)fw>70%時(shí)，分子發(fā)生聚集，熒光強(qiáng)度急劇增強(qiáng)。并且其具有可逆的機(jī)械熒光變色性質(zhì)，研磨前后，熒光發(fā)射波長(zhǎng)紅移了20 nm，熒光顏色從黃綠色變?yōu)槊髁恋狞S色，通過XRD實(shí)驗(yàn)證明，引起該變化的主要原因是由于外力作用導(dǎo)致了分子晶態(tài)與非晶態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換。細(xì)胞熒光成像實(shí)驗(yàn)表明化合物TPA-DTA-PA能夠進(jìn)入HeLa細(xì)胞，具有良好的生物相容性，可作為細(xì)胞熒光染料應(yīng)用于細(xì)胞成像。

致謝

非常感謝江西省“2011協(xié)同創(chuàng)新工程中心”工程研究中心開放基金資助項(xiàng)目(No.2011CIEC_202101)的支持。