結晶水調控聚集誘導發光

唐本忠

香港科技大學化學系，人體組織功能重建國家工程技術研究中心香港分中心，香港科技大學高等研究院，香港科技大學化學與生物工程系，香港 九龍 999077

結晶水調控聚集誘導熒光示意圖。

聚集誘導發光(Aggregation-induced emission，AIE)現象在發光材料領域顯示出巨大的應用價值和前景1,2。AIE分子熒光顏色的調控對于深入發展應用研究具有重要意義。一般而言，對包含AIE分子在內的發光物質熒光顏色的調控主要通過合成化學改變發光基團的取代基、共軛基團等來實現3,4。與此同時，科學家們也發現，AIE分子的發光與分子構象密切相關5,6。因為很多AIE分子具有螺旋槳式的空間結構，通過控制分子的構象能夠調控不同基團之間的共軛程度，進而影響發光顏色。理論上講，通過精確控制AIE分子的空間構象可以實現發光顏色的連續性變化。但迄今為止，人們還無法精確地控制這類分子的構象。

最近，北京大學化學與分子工程學院閻云教授團隊成功地利用結晶水帶來的別構效應，精確控制了AIE分子的熒光發射，該研究工作近期在AngewandteChemieInternationalEdition期刊上7在線發表。

金屬離子在溶液中與水分子配位后，能夠產生強烈的空間效應，引起共存配體的構象變化。利用這一原理，研究人員將配位基團通過柔性碳氫鏈連接到具有聚集誘導發光效應的基團二苯基二苯并富烯上，得到配位發光的兩親分子。當用水化能力依次減弱的Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+等不同的金屬離子在水溶液中與AIE分子配位時，發現熒光顏色能夠實現由藍到黃的連續性變化。當加熱除掉結晶水時，所有配位體系均呈現黃色熒光。而對這些無水體系進行溶劑熏蒸或直接水化，則可使熒光顏色復原。該團隊發現，只要利用水化能力不同的堿土金屬離子在溶液中對發光分子進行配位，就可以實現熒光發射從藍到黃的精確調控。而選擇合適的金屬離子，能夠通過控制結晶水的得失獲得最大的發光顏色變化。同時利用這一特點可制備出具有冷熱兩種書寫模式的可逆擦寫材料。結果顯示，Mg2+體系在結晶水存在時，呈現明亮的藍色熒光；而用熱寫筆書寫時，可以在藍色背景上得到黃色的字跡；當用玻璃棒在常溫下“冷寫”時，研磨引起的失水也可以留下黃色字跡7。

該研究揭示了一個結晶水對分子構象的遠程調控機制，為精確調控聚集誘導發光分子的光物理性能提供了一個全新的思路，有望應用于AIE分子的智能發光器件設計中。

除了利用結晶水調控分子構象，閻云教授還利用配位化學帶來的空間效應，通過精確控制分子的構象和堆積方式，發展出基于別構組裝的熒光調控策略，實現了對一系列有機分子發光顏色及其能量傳遞的遠程調控8-10。這些研究工作避免了傳統熒光顏色調控采用的大量有機合成工作，為精確控制有機材料的發光顏色、開發智能發光器件提供了科學基礎。