開發具有長壽命、高分辨率的雙光子激發的聚集誘導室溫磷光(TPE-AIP)材料對于生物成像至關重要。本文基于聚集誘導熒光 (AIE)和磷光(AIP)材料，深入研究了結構-堆積和雙光子激發的聚集誘導磷光性質的關系，解釋了聚集誘導磷光探針的發光機理?？偨Y了分子構型對激發態電荷分布、單三重態能隙及激發態電子弛豫速率的影響，進而設計了具有較大π-共軛分子骨架的化合物，它能夠在生物窗口內具有較強的雙光子吸收能力，且同時保留了聚集誘導磷光的特性，是一種潛在的可實現時間分辨光學成像的TPE-AIP材料。

光學成像已經成為生物系統檢測的重要技術手段，尤其是對于生物化學研究和醫學治療具有極其寶貴的價值。熒光探針是光學成像的必要工具，其中，有機小分子熒光探針具有高靈敏度、易于修飾的優點。但傳統的有機小分子熒光探針在高濃度時通常會導致熒光猝滅。自從2001年，唐本忠發現了聚集誘導發光（AIE）的現象，立刻引起了人們的廣泛關注。具有AIE特性的探針在單個分子狀態下是不發光的，但在聚集態時能夠發出強光，理論上講，AIE探針的應用不會受到濃度的限制。但通常熒光探針容易受到生物組織自熒光的干擾，不利于信號捕捉，且其波長較短組織滲透深度有限。然而，室溫磷光探針因其具有長發光壽命、高信噪比和較大斯托克斯位移，能夠很好的彌補熒光探針的不足，且有望實現時間分辨的光學成像。最近研究發現，含有芳香羰基基團的一種新型材料能夠同時兼具聚集誘導發光和室溫磷光的特性，在生物成像領域具有潛在的應用價值。另外，雙光子激發(TPE)的光學成像技術是當前最適合生物活體成像檢測的手段，它具有較深的組織穿透力能夠實現高精度三維成像，并且對細胞組織光損傷較小。目前，雙光子成像在實際應用中尚未得到普及，主要是因為可用于雙光子吸收的探針材料較少且效率較低。

團隊以實驗上已合成的聚集誘導室溫磷光材料TPM (phenyl-(2,3,4,5-tetraphenyl-1H-pyrrol-1-yl) methanone)和 TPM-CL ((4-chlorophenyl)-(2,3,4,5-tetraphenyl-1H-pyrrol-1-yl) methanone）為研究對象：

（1）?通過對比AIE材料，分析分子構型尤其是芳香羰基基團對分子激發態電荷分布的影響，以及通過多尺度模擬堆積效應對激發態弛豫過程的作用，總結出實現聚集誘導室溫磷光幾何調控的關鍵；

（2）?基于理論計算結果，設計獲得了同時具有雙光子吸收能力和聚集誘導室溫磷光(TPE-AIP)性質的新材料，為實現時間分辨光學成像提供了指導依據。

圖3.前線軌道電荷分布圖

理論計算結果表明，芳香羰基基團能夠改變前線分子軌道電荷分布（圖2），從而引起光譜紅移和較大的斯托克斯位移（> 200 nm），但同時也導致躍遷偶極矩明顯減小，降低了雙光子吸收能力和發光效率。聚集誘導效應不僅能夠抑制激發態幾何弛豫，降低無輻射效率，而且會影響激發態電子組態成分，調節單-三重態能隙差（δE_S1-T1），TPM在THF溶液和固相下的δE_S1-T1分別為0.03 eV和0.24 eV, 進而調節系間竄越和反系間竄越速率，從而實現磷光發射。另外，為了提高材料的雙光子吸收能量和發光效率，我們設計了具有較大π共軛性質的材料，并對其雙光子吸收性能和激發態性質進行了模擬分析，發現2TPA-DPM-CL在生物窗口內具有較強的雙光子吸收能力（36.40 GM/656 nm），且同時具有了聚集誘導磷光的特性。

綜上所述，本文深入探索了聚集誘導磷光的發光機理，研究表明聚集效應不僅能夠抑制分子的振動弛豫，減小無輻射弛豫速率；更重要的是能夠調節單-三重態能量差，有利于實現電子從單重激發態到三重激發態的躍遷，從而實現磷光發射。另外，研究發現芳香羰基基團是實現室溫磷光的關鍵，它能夠改變前線分子軌道電荷分布，從而導致光譜紅移和較大的斯托克斯位移；并且該基團中的氧原子能夠引起大的旋-軌耦合，有助于磷光發射。但是，較大的前線軌道電荷分離使得電子躍遷偶極矩明顯變小，不利于雙光子吸收和磷光發光。我們進而設計獲得了具有較大π-共軛分子骨架的化合物，它能夠在生物窗口內具有較強的雙光子吸收能力，且同時保留了聚集誘導磷光的特性，是一種潛在的可實現時間分辨光學成像的TPE-AIP材料。