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聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)现象是唐本忠院士课题组于2001年发现的,这一现象与传统的聚集导致的荧光猝灭(aggregation-caused quenching,ACQ)完全相反,即在溶液中几乎不发光的分子,在聚集或固态薄膜下能发出强烈的荧光,这一发现为解决ACQ难题开辟了新的道路。具有AIE活性的化合物,例如四苯基乙烯(TPE)、噻咯及其衍生物,已广泛应用于化学传感器、荧光探针、有机发光二极管(OLEDs)等领域。本文一方面将TPE与经典的ACQ染料BODIPY相结合,以抑制BODIPY在聚集态的荧光猝灭,并制备了具有良好生物兼容性的红色纳米粒子,成功应用于双光子荧光细胞和脑血管成像。另一方面,把大体积的芴取代基和各种平面荧光生色团(PFCs)引入到噻咯环的2,5-位,得到了高效率的固态发光材料,制备了高效率的OLEDs器件,并研究了分子结构与器件性能之间的关系。具体内容如下:(1)通过把具有聚集诱导发光(AIE)性质的四苯基乙烯(TPE)引入到甲基化的BODIPY核上,设计、合成了3种含有TPE单元的BODIPY化合物,研究了其光物理性质和电子结构,并制备了基于3TPE-BODIPY的纳米粒子,结果表明,具有AIE活性的TPE单元能明显改善BODIPY在聚集态的荧光猝灭问题。而且,多个TPE单元的引入显著提高了分子的双光子吸收(TPA)和双光子荧光(TPEF)性质。尤其是3TPE-BODIPY在750?830 nm波长范围内展示出良好的TPA和TPEF性质,在810 nm激发下的双光子吸收和发射的截面积分别可达264和116 GM。用DSPE-PEG2000包裹的红色3TPE-BODIPY纳米粒子,Stokes位移为60 nm,荧光量子产率高达16%,并且具有良好的生物兼容性,在细胞和鼠脑血管的双光子荧光成像方面有很好的应用。(2)通过把大体积的9,9-二甲基芴,9,9-二苯基芴和9,9’-螺二芴引入到噻咯环的2,5-位上,制备了具有良好的热稳定性和较低的LUMO能级噻咯衍生物。晶体结构表明,9,9’-螺二芴单元与噻咯环3,4-位上的苯环容易形成分子内的π–π相互作用。在溶液中,这些分子有弱的蓝光和绿光发射带(分别来自芴基团和具有一定π-共轭延伸的噻咯环),且随着取代基体积的增加,分子内的旋转愈发困难,噻咯分子的荧光也逐渐增强,荧光量子产率(?F=2.5–5.4%)比2,3,4,5-四苯基噻咯要高得多。在固态薄膜状态下,这些噻咯衍生物以绿光到黄光发射为主,固态?F值可达75–88%。把这些材料作为发光层制成的电致发光器件具有很高的亮度、电流效率和功率效率,分别为44100 cd/m2、18.3 cd/A和15.7 lm/W。值得关注的是,经优化的器件实现了最大外量子效率达5.5%,已经超过了荧光器件的理论值。(3)设计合成了一系列新的2,5-位平面荧光生色团(PFCs)取代的噻咯分子,其中PFCs包括芴、荧蒽、萘、芘和蒽。在溶液中,分子内旋转(IMR)使这些化合物表现出弱的荧光,但是PFCs与噻咯环之间电子耦合的协同作用一定程度上弥补了IMR过程导致的荧光猝灭,因此,溶液中的发光效率比2,3,4,5-四苯基噻咯要高很多。同时,它们在聚集态下的发光效率也有所提高。此外,PFC对噻咯分子的电致发光(EL)的颜色和效率有很大影响:萘基取代的噻咯分子发绿光,蒽基取代的发橙光,含有芘基的噻咯则发黄光(发射波长为546 nm,最大亮度49000 cd/cm2,最高电流效率9.1 cd/A)。