重原子效应触发纯有机室温磷光及其光动力学抗菌

徐永龙, 徐 宇, 孔维丽, 邹文生

安徽建筑大学材料与化学工程学院, 安徽 合肥 230601

引 言

室温磷光(RTP), 即室温下的一种长余辉光发射现象, 可以存储激发能量并在激发光源移除后持续发光数秒、 数分钟甚至数小时。 由于这种独特的光物理性质, 近年来已经引起了相关领域的广泛关注。 纯有机室温磷光材料由于三重态激子的参与和相对缓慢的衰减速率, 而具有较长的发射波长和寿命。 因此在数据加密、 防伪和有机发光二极管等方面具有广泛的应用前景[1]。 与有机金属和无机化合物相比, 它们还具有宽Stokes位移、 毒性小、 制备成本低等优点。 此外, 由于可通过时间分辨发射技术有效消除短寿命背景荧光干扰, 纯有机室温磷光材料是高灵敏度传感与细胞成像的理想试剂[2-3]。

设计具有高亮磷光和超长发光时间的有机材料目前仍然是一个巨大的挑战。 难点之一是需要克服单线态-三重态跃迁固有的自旋禁阻。 由于振动弛豫(VR)引起的非辐射能量损失以及磷光会在湿汽和水中的猝灭等原因, 通常很难在室温和常压条件下获得高效的纯有机磷光材料。 在现有的科研报道中, 已提出许多可行的策略用于增强室温磷光, 如主-客体掺杂法[4], 聚合物嵌入[5], H-聚集[6]等。 这些方法主要分为两种策略, 一种是通过构建刚性化结构, 以减少振动弛豫造成的非辐射衰减, 使更多的能量可以通过光量子辐射, 如结晶诱导和构建有机框架等方法; 另一种是引入重原子如卤素[7]、 芳香羰基或带有n电子的杂原子, 这些基团都有助于促进单线态和三重态间的旋-轨耦合, 提高三重态布居, 进而增加磷光量子产率[8]。 然而, 值得注意的是引入重原子也会导致磷光寿命的显著缩短, 从而导致长寿命磷光转换为短寿命磷光[9-10]。 目前除了通过固有分子结构工程的几个例子外[11], 多数通过各种分子间工程方法借助分子间弱相互作用实现持久性磷光[12]。 现有的研究结果表明, 分子堆积显著影响晶体中的超长RTP(超长室温磷光寿命), 强分子间相互作用或电子耦合可以极大地促进超长RTP的产生[13-14]。 然而, 与含有重原子的材料相比, 大多数具有分子间工程的有机材料发光效率非常低[15]。

本研究设计了一种卤代苯并咔唑化合物1,4-二溴-2,5-二氟二(9H-咔唑-9-基)苯(BFCzB), 研究其独特的光物理行为, 并通过实验数据和理论分析, 针对其独特的长余辉现象, 提出了合理的卤素调控分子聚类模型。 苯环上的卤素与咔唑单元形成了强烈的分子内相互作用(C—F…H—C、 C—Br…N和C—Br…π), 卤素与相邻分子间还存在着众多分子间相互作用。 该化合物具有明亮的黄色磷光, 寿命长达103.55 ms。 同时, 利用磷光分子在水中能量传递产生单线态氧从而使磷光猝灭这一特点, 转劣为优, 进行光动力学抗菌。

1 实验部分

1.1 材料

咔唑(纯度97%, 上海大瑞精细化工有限公司); KOH(纯度85%, 上海晶精化工厂); 1,4-二溴四氟苯(纯度99%, 上海必德医药科技有限公司); N,N-二甲基甲酰胺溶剂(DMF)(分析纯, 国药化学试剂有限公司); 二氯甲烷(分析纯, 成都科龙化工有限公司); 石油醚(分析纯, 江苏强盛功能化工有限公司); 大肠杆菌(ATCC8739)购自上海鲁威科技有限公司。

1.2 仪器

F4700荧光分光光谱仪(日本日立公司); Ascend Aeon核磁共振谱仪(德国布鲁克公司); SolidSpec-3700紫外可见分光光度计(日本岛津公司); Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技公司); Bruker D8 Advance X射线衍射仪(德国布鲁克公司); ZNCL-T250ML加热套(中国巩义市裕华仪器有限公司); 暗盒式四用紫外分析仪(中国上海嘉鹏科技有限公司)。

1.3 BFCzB的合成

将9 H-咔唑(1.0 g, 6.0 mmol)和KOH(0.54 g, 9.6 mmol)添加到一个圆底玻璃烧瓶中, 加入N,N-二甲基甲酰胺(40 mL), 在40 ℃下搅拌2 h。 将1,4-二溴四氟苯(0.74 g, 2.4 mmol)加入到混合溶液中, 升温至110 ℃并搅拌4 h, 冷却至室温, 过滤, 收集固体。 以二氯甲烷和石油醚(1∶2)为洗脱剂, 采用硅胶柱层析法对产物进行纯化, 得到白色粉末。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.22 (d,J=7.7 Hz, 4H), 7.55 (dd,J=13.3, 6.2 Hz, 4H), 7.41 (dd,J=15.3, 8.0 Hz, 4H), 7.23 (t,J=9.6 Hz, 4H)。 Anal. Calc. (%): C, 59.80; H, 2.66; N 4.65; Found (%): C, 59.89; H, 2.30; N, 4.60。

1.4 基于TMB的单线态氧检测

用乙酸/乙酸酐配制pH 4的缓冲溶液, 分别将适量的BFCzB、 TMB和L-色氨酸溶解在缓冲溶液中, 取三支试管并标记编号, 分别向1号试管中添加1 mL BFCzB溶液和2 mL缓冲溶液; 向2号试管中各添加1 mL BFCzB溶液、 1 mL TMB溶液和1 mL缓冲溶液; 3号试管中加入1 mL BFC2B溶液、 1 mL 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)溶液和1 mL L-色氨酸溶液, 摇匀, 将三支试管置于紫外光下照射2 min, 观察颜色变化并测量其紫外光谱。

1.5 细菌培养

以大肠杆菌为模型微生物进行抗菌研究。 将大肠杆菌置于37 ℃的2 mL Luria Bertani (LB)肉汤溶液中, 在旋转振动筛上培养18 h。 然后, 加入缓冲溶液将细菌悬浮液稀释至适当浓度(106CFU·mL-1)。 随后, 将大肠杆菌溶液与BFCzB溶液共培养1 h, 为了产生对比效果, 将同样的共培养液体分别在光照和黑暗条件下培养。 取 100 μL上述混合物分别转移到琼脂培养基上, 涂布均匀并在37 ℃下培养24 h。 所有样品均一式三份。

2 结果和讨论

2.1 表征

图1 BFCzB的红外光谱

2.2 光物理性质

目标分子很容易通过一步亲核取代反应制备, 在室内光下呈白色粉末, 而在紫外线灯下可以发射出强烈的黄色磷光[图2(f)]。 首先, 通过在环境条件下固态延迟0.1 s的磷光光谱和荧光光谱研究其光物理性质。 为了探究BFCzB的最大激发波长, 测量了310～380 nm波段的发射光谱。 由图2(a)可以清晰地看出, 从310 nm随着激发波长的增加, 发射峰的峰值逐渐增大, 在366 nm处峰值达到最高, 随后峰值随波长的增大而逐渐下降。 故以366 nm作为最大激发波长测量, BFCzB的最大发射波长为544 nm, 并在590和640 nm有两处肩峰[图2(b)]。 将BFCzB的磷光光谱[Ph, 图2(b)]与光致发光光谱[PL, 图2(c)]进行比较, 除了荧光光谱在450 nm有一小段较低的发射峰外, 可以发现两者的主要发射峰出现重叠, 分析认为是三重态-三重态湮灭(TTA)导致的[7], 以BFCzB分子位于544 nm为主要发射峰, 测得磷光寿命为103.55 ms[图2(d)]。

图2 (a)BFCzB的激发依赖性磷光光谱; (b)为BFCzB的磷光光谱; (c)为BFCzB的荧光光谱; (d)BFCzB的磷光寿命衰减曲线; (e)各样品溶液的紫外吸收光谱和颜色对比(插图), 其中样品1为BFCzB溶液; 样品2为BFCzB+TMB溶液; 样品3为BFCzB+TMB+L-色氨酸溶液; (f)BFCzB粉末在室内光和紫外灯开、 关下的成像

由于氧的三线态基态, 通常分子三重态激子会通过能量转移到水中的溶解氧, 从而生成单重态氧(1O2)。 采用TMB显色法验证BFCzB水溶液是否可以产生单重态氧[图2(e)], 并分别测量了三组样品的紫外吸收光谱, 如图2(e)所示, 第1组BFCzB水溶液本身在500～750 nm处并没有吸收峰, 而在加入TMB的第2组中, 紫外灯照射后, 在652 nm处可观察到明显的吸收峰, 该吸收峰为氧化态TMB(ox TMB)的特征吸收峰, 证明TMB被活性氧氧化。 为了进一步证明氧化TMB为1O2, 在第3组中添加了1O2的特征清除剂L-色氨酸, 如预期结果, 第3组样品的紫外光谱中ox TMB的特征吸收峰完全消失BFC2B粉末在室内光与紫外灯开关时成像见图2(f)。

2.3 HOMO/LUMO能级图

为了进一步探讨重原子效应在磷光上的作用, 在(TD) DFT上进行了理论模拟, 如图3所示, 当分子处于高能级状态时, 分子中的能量主要集中在苯环上的重原子和咔唑环上的N、 C原子附近。 而当能量辐射后, 分子能量主要集中于咔唑环上, 这种变化可以证明重原子在辐射驰豫过程中发挥了重要的作用。 而通过模拟计算可得出HOMO/LUMO的能带隙仅为0.02 eV, 说明分子极易被激发[18], 与文献中无重原子作用的1,4-二(9H-咔唑-9-基)苯[7]相比较, 引入重原子后能带隙的减弱也证明了重原子的引入有助于增强单线态和三线态间的自旋耦合和系间窜越速率, 使分子发出高亮磷光。

2.4 分子内与分子间相互作用

为了探究BFCzB超长磷光的起源, 进行了X射线单晶衍射分析以研究其分子堆积模型中分子内和分子间的相互作用(图4)。 对于BFCzB分子, 存在3种类型的分子内相互作用[图4(a)], 包括C—Br…π (3.373 1 Å)卤键、 C—Br…N (3.170 5 Å)卤键[7]和C—F…H—C (2.587 7 Å)氢键[19]。 这些相互作用有效地限制了分子的旋转, 从而降低了非辐射衰减, 结果表明分子内卤素键与上述理论模拟结论一致, 可以促进了激发单重态和三重态之间的自旋轨道耦合(SOC)。 如图4(b—e)所示, BFCzB分子中卤素原子与相邻分子间还存在着众多分子间相互作用。 C—F与相邻分子的咔唑环形成主要的相互作用C—F…H—C(2.527 1 Å)氢键[20]和C—F…π(2.933 5和3.049 4 Å)卤键[21], Br也与相邻分子存在C—Br…H—C (2.846 6 Å)氢键和C—Br…π(3.531 4 Å)卤键相互作用。 一对分子的咔唑基团还存在着π…π堆积作用(3.399 2 Å)和C—H…π (2.704 8 Å)氢键。 所有这些分子内和分子间的相互作用都可以塑造刚性化环境以抑制分子运动, 进一步减少三重态激子的非辐射衰减, 从而实现超长磷光。

图4 BFCzB的分子堆积图及各分子内和分子间相互作用

3 应 用

3.1 光动力学抗菌

磷光分子在水中猝灭时产生的单重态氧具有使细胞消亡的功效。 研究了BFCzB作为光敏剂进行光动力抗菌化疗。 大肠杆菌分别在光照下培养, 有、 无光照下与BFCzB水溶液共培养1 h。 如图5(a—c)所示, 大肠杆菌在光照环境下可以正常生长, 在培养基中可以观察到大量菌落。 在黑暗环境下填充BFCzB基质的培养基中, 大肠杆菌菌落的生长仍然良好, 说明BFCzB分子本身对大肠杆菌在黑暗环境下的生长没有不利影响。 光环境下, 由于BFCzB在水中猝灭时产生的1O2的杀菌作用, 填充BFCzB基质的培养基中几乎看不到大肠杆菌菌落[如图5(c)]。

图5 大肠杆菌在(a)无BFCzB无光照、 (b)有BFCzB无光照和(c)有BFCzB有光照培养基中的培养效果

3.2 信息加密

BFCzB分子在环境条件下为白色粉末, 更易隐藏, 在紫外光下呈现明亮的黄色磷光可清晰传达加密信息, 在紫外灯关闭后仍能发射长达2 s的余辉[图6(a)], 因此在安全防伪、 数据加密等方面存在巨大的应用潜力。 设计制作了如图6(b)所示的图案化应用, 在室内光下由短寿命荧光粉和BFCzB共同填充样品板得到5个白色数字‘8’的组合, 而在紫外灯关闭后的黑暗环境下, BFCzB的磷光可清晰的呈现所要传达的数字信息。

图6 (a)BFCzB的余辉成像; (b)BFCzB在日光和紫外灯开、 关下的信息加密

4 结 论

设计、 合成了一种含重原子的纯有机室温磷光化合物, 并通过理论模拟和XRD光谱测试探讨了重原子的引入不仅可以促进单线态和三线态间的自旋轨道耦合, 而且还能提高三重态分子的布居。 卤素还通过卤键参与了分子内与分子间的相互作用, 减少三重态激子的非辐射弛豫, 使其发出明亮的黄色室温磷光。 此磷光有机物在阳光照射下呈现白色粉末, 在紫外灯下发出黄色磷光, 余辉接近2 s, 可应用于防伪和信息加密。 介绍了一种利用磷光分子在水中湮灭产生的1O2进行光动力治疗抗菌的新颖应用。 对后续纯有机室温磷光分子的设计和应用具有极大的借鉴意义。