近年來，有機窄帶熒光材料收到研究者們的大量關注，這些材料在高分辨率成像、高質量顯示、防偽加密、多通道傳感等領域具有優良的應用前景。然而，本征型有機室溫磷光材料及其相關器件的開發卻鮮有報道，這是因為缺少有效的窄帶室溫磷光材料的設計策略及理論體系，以及其適合應用的制備手段。因此，開發一種新型設計原則來實現具有穩定性好、易于加工的本征窄帶藍色室溫磷光材料，并開發相應的傳感器件是一項艱巨的挑戰。
近日，西北工業大學黃維院士和于濤教授團隊成功地設計并合成了一系列新型窄帶發光分子吲哚并吩噻嗪衍生物，命名為Cphpz、1O-Cphpz和2O-Cphpz。該衍生物是通過引入碳碳單鍵使得分子逐漸平面化且具有剛性結構后，再將吲哚并吩噻嗪衍生物摻雜到可用于光固化3D打印的高分子基質丙烯酸羥乙酯-丙烯酸（HEA-AA）中。2O-Cphpz@HEA-AA體系表現出半峰全寬為36 nm和1.08 s的長壽命磷光的現象。（圖1，圖2）此外，為了闡明產生窄帶磷光的內部機制，團隊對化合物進行了單晶分析和密度泛函理論計算，并利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術制備了一系列相關的精細模型與獨特的光基微流控芯片。（圖3，圖4）
相關研究成果以“Intrinsic Narrowband Blue Phosphorescent Materials and Their Applications in 3D Printed Self-monitoring Microfluidic Chips”為題近期發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上，西北工業大學柔性電子研究院黃維院士和于濤教授為本文的共同通訊作者。
圖1. 磷光分子的設計策略，主要結構及其光學性質。
圖2. 磷光分子在單分子態吸收及發射光譜，及其在摻雜態中的發射及延遲光譜。
圖3. 磷光分子相關的密度泛函理論計算，及其在聚合物中的磷光機制。
微流控芯片在許多生物醫學和化學領域具有廣泛應用，尤其在藥物篩選、診斷檢測、環境監測等方面具有獨特的優勢。微流控芯片通過精確控制流體在微米或納米尺度上的流動，能夠高效地進行液體處理、反應和分析。其主要優點包括高通量、高靈敏度和小型化等，使其成為分析實驗中的重要工具。鑒于2O-Cphpz@HEA-AA體系的窄帶藍色室溫磷光的優勢，團隊重點探索了其在微流控芯片中基于濕度的用于路徑自監測的潛在應用，如圖4所示。基于此，研究團隊通過摩方精密nanoArch? P150（精度：25 μm）3D打印設備，打印了一套精度為200 μm的光基微流控芯片。
圖4. a. 團隊所采用的光固化3D打印技術的原理圖；b. 制備的一系列3D打印的精細結構模型及其窄帶磷光表現；c. 光基微流控芯片的制備策略及其實現液滴路徑自監測的功能展示。
與大多數報道的濕度響應熒光材料相比，研究團隊所開發的濕敏性室溫磷光材料的最大優勢是發光壽命長且能有效防止熒光背景的干擾，可進行準確清晰的監測。尤其是獨特藍色窄帶室溫磷光的信號，它具有更好的頻譜選擇性、更高的分辨率和更長的發射壽命，可以進一步降低背景干擾。如圖4所示，整個微流控芯片在注入液滴之前，在紫外光激發下能表現出明亮的藍色磷光。然而，當液滴從不同的注入口注入時，液滴流經的路徑上，藍色磷光會被水分子猝滅而明顯消失。與此同時，針對不同流量（20 μL與30 μL）導致的路徑終點差異，該微流控芯片也能基于磷光信號實現精確監測。
這項工作為設計窄帶室溫磷光材料提供了一種簡單有效的策略，且為此種材料開辟了新的平臺，促進其在高分辨率3D打印傳感、多層信息加密等領域的應用。
本研究得到國家自然科學基金、陜西省杰出青年科學基金和中央高校研究基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412468
