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港科大唐本忠院士、中科大张亮、浙大钱骏《自然·通讯》:突破发光材料瓶颈:能级匹配策略点亮共价有机框架

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在光学材料领域,大多数发色团在聚集时会发生荧光猝灭现象,即“聚集导致猝灭”(ACQ)效应,这使得它们在共价有机框架(COF)中难以实现高效发光。尽管二维COF材料因其有序多孔结构而备受关注,但如何在其结构中实现强发光,尤其是基于ACQ发色团的COF材料,仍是一个极具挑战性的科学难题。

近日,中国科学技术大学张亮特任研究员、浙江大学钱骏教授香港科技大学唐本忠院士合作提出了一种创新的“能级匹配策略”,成功构建出高亮度的ACQ发色团基COF材料。该策略通过调控框架内电子结构,有效抑制了层内和层间电荷转移至ACQ发色团,并阻断了非辐射衰减路径,从而显著提升了材料的发光效率。其中,所制备的COF-BT-PhDBC在固态下的光致发光量子产率高达14.7%,成为目前性能最优异的ACQ型COF材料之一,并成功应用于小鼠脑血管的活体三光子荧光成像,成像深度达约800微米。相关论文以“Boosting the brightness of aggregation-caused quenching chromophore-based covalent organic frameworks via energy level matching strategy”为题,发表在

Nature Communications


研究团队首先合成了三种COF材料:COF-TPE-PhDBC、COF-BT-PhTPE和COF-BT-PhDBC,分别由不同胺类与醛类单体通过共缩合反应构建。通过粉末X射线衍射、红外光谱、X射线光电子能谱和固态核磁共振等多种表征手段,证实了这些材料中亚胺键的成功形成,并展现出良好的结晶性与多孔性。氮气吸附测试进一步显示,它们的比表面积介于700至2060 m²/g之间,具备典型的永久孔隙结构。


图1 | 高发光ACQ发色团基COF的构建示意图 通过将强吸电子基团苯并噻二唑(BT)引入COF骨架,形成倾斜堆叠的二维COF结构,以调控能级匹配,抑制ACQ效应。


图2 | COF-TPE-PhDBC、COF-BT-PhTPE与COF-BT-PhDBC的结晶度表征 (a)三种COF的合成路线示意图;(b–d)PXRD图谱;(e)红外光谱;(f)固态13C NMR谱;(g)氮气吸附等温线。

进一步的高分辨透射电镜和PXRD模拟分析揭示了不同COF的堆叠模式差异。COF-BT-PhTPE呈现出典型的重叠堆叠结构,而COF-BT-PhDBC则由于DBC单元较高的平面性,形成了75°倾斜堆叠结构。这种倾斜堆叠有效抑制了层间π-π相互作用,是抑制ACQ效应的关键结构因素。


图3 | COF-TPE-PhDBC、COF-BT-PhTPE与COF-BT-PhDBC的堆叠模式表征 (a–c)实验PXRD图谱与不同倾斜角度堆叠模式的模拟对比;(d–g)COF-BT-PhTPE的HRTEM图像与电子衍射图;(h–k)COF-BT-PhDBC的HRTEM图像与电子衍射图。

在光物理性质研究中,COF-BT-PhDBC表现出明显的吸收红移和更高的荧光亮度,其固态量子产率达到14.7%,远高于COF-TPE-PhDBC的0.5%和COF-BT-PhTPE的9.8%。寿命测试与功率依赖实验进一步证实其具备优异的三光子荧光特性,适用于深层组织成像。


图4 | COF-TPE-PhDBC、COF-BT-PhTPE与COF-BT-PhDBC的光物理性质表征 (a)紫外-可见吸收光谱;(b)稳态荧光光谱;(c)固态量子产率;(d)荧光寿命;(e)三光子荧光光谱;(f)功率依赖曲线;(g–j)能级匹配示意图。

瞬态吸收光谱分析显示,COF-BT-PhDBC和COF-BT-PhTPE在540纳米处出现长寿命激发态吸收峰,提示存在三重态激发过程;而COF-TPE-PhDBC则因非辐射衰减过快而缺乏此类特征。辐射与非辐射速率计算进一步支持了COF-BT-PhDBC高量子产率的来源:较高的辐射速率与较低的非辐射速率共同作用。


图5 | 三种COF的瞬态吸收光谱 (a–c)不同延迟时间下的TA光谱;(d–f)二维伪彩色TA图谱;(g–i)700纳米处动力学曲线。

理论计算进一步揭示了其发光增强机制。在层内电子分布方面,COF-BT-PhDBC的电子主要定域在BT核上,避免了ACQ单元参与发光过程;其层内电荷转移量达0.49479 e,高于COF-BT-PhTPE。在层间相互作用方面,COF-BT-PhDBC的层间电荷转移量最低(0.01323 e),且重组能仅为3076 cm⁻¹,表明其分子运动受限,非辐射衰减被有效抑制。


图6 | COF-TPE-PhDBC、COF-BT-PhTPE与COF-BT-PhDBC的层内电子激发分析 (a)电子-空穴分布图;(b)层内电荷转移量定量分析。


图7 | COF-TPE-PhDBC、COF-BT-PhTPE与COF-BT-PhDBC的层间电子激发分析 (a)电子-空穴分布图;(b)层间电荷转移量;(c–e)重组能与振动模式关系图。

最终,研究团队将COF-BT-PhDBC作为三光子荧光探针,成功对小鼠脑血管进行了活体成像。在1600纳米激发下,实现了从表层至800微米深度的三维血管网络清晰成像,并能在300微米深度识别出直径约5.2微米的毛细血管,展现出优异的穿透能力与空间分辨率。


图8 | 小鼠脑血管的三光子荧光成像 (a)三维重建图像;(b,c)毛细血管强度剖面图;(d)不同深度下的血管图像。

该研究通过能级匹配策略,首次实现了ACQ发色团基COF的高效发光与活体深层成像应用,不仅为设计高性能荧光COF材料提供了新思路,也推动了共价有机框架在生物医学成像领域的实际应用前景。

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