兼顾“长波长”和“长寿命”——南开温大联手构建有机超长寿命近红外RTP材料 |前沿用户报道

研究成果

2022年1月10日，南开大学丁丹教授，温州大学黄小波教授、雷云祥博士在Nature Communications上发表论文：《Guest-host doped strategy for constructing ultralong-lifetime near-infrared organic phosphorescence materials for bioimaging》。该研究基于主客体掺杂策略，构建出同时具有长波长（600/657–681/732nm）和长寿命（102–324ms）的有机室温磷光材料，并对该类材料的在组织成像领域进行了深入的研究。

实验背景

有机室温磷光（RTP）化合物因发光寿命长、信噪比高、毒性低、具有良好的生物相容性，在组织成像、肿瘤诊断和药物追踪等领域都有巨大的应用潜力。其中，近红外有机RTP材料由凭借长发射波长，具有优异的穿透性，可穿透生物组织，在生物成像方面的优势十分明显。然而，受限于能隙定律，近红外磷光材料（发射波长>650nm）非常少见，并且“长波长”往往无法与“长寿命”兼顾。而长磷光寿命是提高信噪比的关键。因此，能否设计合适的有机材料，使其同时具有“长波长”、”长寿命”的特性呢？

为了解决这一难题，南开大学的丁丹教授以及温州大学雷云祥博士成功构建出同时具有长波长（>700nm）和超长寿命（>100ms）的超长寿命近红外RTP材料，并深入研究了纯有机近红外磷光在体内的生物成像。

实验过程

1.构建RTP材料

在对超长寿命近红外RTP材料的构建方法上，团队使用了主体-客体掺杂策略。通过大量筛选和修饰，选择了结晶度优良的二苯甲酮化合物为主体，具有高共轭性的芘衍生物作客体。

作为主体，二苯甲酮化合物有两个优势：其一是协助客体激子的转移；其二可以限制客体分子的运动，从而抑 制客体激子的非辐射跃迁，延长材料的磷光寿命。而选择芘衍生物作客体，可以使合成材料具有长波（近红外）磷光。选定主客体材料后，通过将主客体化合物加热、冷却、结晶，得到混合均匀的RTP掺杂材料。

2. 材料性能测试

材料合成之后，课题组使用多种技术对材料的性能进行了表征，以验证其是否具有长发射波长和长寿命。对磷光材料的测试中，室温和低温稳态/瞬态光谱、稳态/瞬态发光寿命、稳态/瞬态发光效率等测试通过HORIBA的荧光光谱仪（FluoroMax-4）实现，得到了重复性高、稳定性高的数据。测试结果显示，掺杂材料具有很强的室温磷光的性能，并且同时具有长波长（600/657–681/732nm）和长寿命（102–324ms）。

1a）主客体分子的分子结构

b）主客体材料的荧光（上）和磷光（下）图像

c）主客体材料的磷光光谱。(激发波长：380nm；延迟时间：1ms)

d）主客体材料的磷光衰减曲线。（激发波长：380nm）

仪器使用评价

FluoroMax®+ 新一代稳瞬态荧光光谱仪

使用了HORIBA的新一代稳瞬态荧光光谱仪（FluoroMax®+），测试了寿命，效率，光谱等光物理数据。该仪器操作简单，准确率高，稳定性好，测试数据与现象能较好符合，实际使用很方便放心。

此外，通过生物实验，本材料在生物成像中表现出良好的组织穿透性。得益于长寿命和长波长发射磷光材料的特性，成功实现了信噪比高达43的活体小鼠肿瘤成像，首次证明了纯有机近红外磷光可以用于体内生物成像。

课题组介绍

雷云祥，温州大学化学与材料工程学院副教授，博士学位，硕士研究生导师。在Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Chem, Sci., 等国际期刊上发表学术论文二十余篇。

联系作者：yunxianglei@wzu.edu.cn