郝永超，陳 懿

（1．中國科學(xué)院 理化技術(shù)研究所 光化學(xué)轉(zhuǎn)換和光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ，北京100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

具有大的雙光子吸收截面的有機(jī)材料在頻率上轉(zhuǎn)換激射［1，2］、三維光存儲［3］、三維微加工［4，5］、光動力治療［6－8］等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。近年來，由于雙光子熒光顯微鏡的發(fā)展，基于雙光子光誘導(dǎo)的熒光成像成為生物技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)［9－11］。對大多數(shù)熒光材料而言，單光子的摩爾消光系數(shù)為～10－16cm2，而雙光子的吸收截面為～10－50cm4·s／photon，材料的雙光子吸收與激發(fā)光光強(qiáng)的平方有強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)，因此要產(chǎn)生雙光子吸收，激光光場必須有足夠高的光子密度，只有焦點(diǎn)附近的光強(qiáng)才能達(dá)到產(chǎn)生雙光子吸收的光密度條件（在聚焦條件下，雙光子吸收僅局限于物鏡焦點(diǎn)處空間體積約為λ3的小范圍內(nèi)），所以雙光子光化學(xué)過程只局限在焦點(diǎn)附近極小的區(qū)域內(nèi)。此外，由于雙光子誘導(dǎo)的熒光發(fā)射所用的激發(fā)波長往往是近紅外光，可產(chǎn)生很少的光散射和更深的穿透，在這種情況下，熒光成像可以得到很高的空間分辨率。

雖然雙光子熒光成像吸引了人們極大的興趣，但同時具有雙光子吸收截面大、熒光量子產(chǎn)率高、合成簡單、成本低等具有實(shí)用價值的雙光子熒光材料并不多見，限制了這一技術(shù)的發(fā)展。因此，開發(fā)具有大的雙光子吸收截面、高的熒光量子產(chǎn)率、以及制備簡單的新型雙光子熒光染料成了材料化學(xué)一個研究熱點(diǎn)［12－15］。本文設(shè)計(jì)合成了具有D－π－A－π－D對稱型結(jié)構(gòu)的化合物2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪1（圖1），研究結(jié)果表明，該化合物具有雙光子熒光性質(zhì)，在820nm波長光激發(fā)下，獲得了較大的雙光子吸收截面（σ＝212GM）。與其它已報(bào)道的雙光子熒光染料相比，化合物1具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：合成簡單、產(chǎn)率高、熒光量子產(chǎn)率大、雙光子熒光強(qiáng)。

圖1 化合物1的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

核磁共振氫譜和碳譜采用Bruker－400核磁共振儀，TMS為內(nèi)標(biāo)，室溫測定；高分辨質(zhì)譜采用GC－TOF MS質(zhì)譜儀測試；紫外－可見光吸收光譜采用 Hitachi U－3010紫外分光光度儀測試；熒光發(fā)射光譜采用 Hitachi F－2500熒光分光光度儀測試；雙光子熒光采用鈦寶石飛秒激光器（Ti－sapphire laser）發(fā)出的激光脈沖作為輻射光源，其重復(fù)頻率為82MHz，脈沖寬度為120fs。測試時樣品的濃度為1×10－4mol／L，整個測試采用的樣品池均為1．0cm×1．0cm四面通光的石英比色皿。雙光子吸收截面（σ）采用熒光素為參比，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的雙光子熒光方法進(jìn)行測試計(jì)算［16］。

所用試劑和溶劑分別購于北京依諾凱試劑公司和北京化學(xué)試劑公司，試劑使用前未經(jīng)純化，直接使用；光譜測試用溶劑按有機(jī)溶劑標(biāo)準(zhǔn)純化方法進(jìn)行純化。

1．2 化合物1的制備

化合物1的合成線路如圖2所示，其合成方法如下：在100mL的圓底燒瓶中加入2，5－二甲基吡嗪（0．125g，1．16mmol）、叔丁醇鉀（0．26g，2．31mmol）、DMF（25mL）。反應(yīng)混合物加熱到80℃，反應(yīng)15min后，加入N，N－二甲基對氨基苯甲醛（0．34g，2．31mmol），反應(yīng)混合物在80℃下繼續(xù)反應(yīng)4h，直到原料點(diǎn)消失（TLC檢測反應(yīng)）。停止加熱，冷卻至室溫，有固體析出，過濾所得固體用石油醚（V）∶乙酸乙酯（V）＝1∶2為洗脫劑，硅膠柱層析分離，得到化合物1（0．35g，紅色固體），產(chǎn)率81%。

1HNMR （CDCl3）：3．02（12H，s），6．72（4H，d，J＝8．9Hz），6．96（2H，d，J＝16．0Hz），7．49（4H，d，J＝8．9Hz），7．62（2H，d，J＝16．0Hz），8．49 （2H，s）。13CNMR （CDCl3，100MHz）：39．3，111．2，118．7，123．7，127．5，132．8，141．7，148．0，149．7。HRMS：calcd．for C24H26N4，370．2158；found，370．2164。

圖2 化合物1的合成路線

1．3 化合物1的雙光子吸收截面的測定

化合物1的雙光子吸收截面使用雙光子熒光法測定［16］。以10－4mol／L 的熒光素 NaOH 水溶液（pH＝11）為 參 比，將1 配 成10－4mol／L 的DMSO溶液，通過測量雙光子誘導(dǎo)熒光的熒光強(qiáng)度，計(jì)算出1的雙光子吸收截面，計(jì)算公式如下：

式中，σs、σr分別為樣品和參比的雙光子吸收截面，F(xiàn)s、Fr分別為相同實(shí)驗(yàn)條件下樣品和參比的雙光子誘導(dǎo)熒光積分強(qiáng)度，Φs、Φr分別為樣品和參比的熒光量子產(chǎn)量，cs、cr分別為樣品和參比的濃度，ns、nr分別為樣品和參比的溶劑折射率。

2 結(jié)果與討論

化合物1的制備非常簡單，以DMF為溶劑，2，5－二甲基吡嗪和N，N－二甲基對氨基苯甲醛在叔丁醇鉀強(qiáng)堿作用下一步反應(yīng)即可獲得，產(chǎn)率高達(dá)81%。從化合物1氫譜中—CH CH—的耦合常數(shù)J＝16．0Hz這一數(shù)據(jù)可以判斷，2，5－二甲基吡嗪和N，N－二甲基對氨基苯甲醛縮合反應(yīng)生成的產(chǎn)物2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪分子中的雙鍵結(jié)構(gòu)為反式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖3是化合物1在DMSO溶液中的吸收光譜和熒光光譜圖?；衔?在DMSO溶液中有兩個主要的吸收峰分別在460nm （ε＝3．1×104L·mol－1·cm－1）和340nm（ε＝9．2×103L·mol－1·cm－1）。這兩個吸收峰分別對應(yīng)于化合物1的π→π＊電子躍遷和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（N，N－二甲基為給體，吡嗪環(huán)為受體）躍遷。用460nm的光激發(fā)，得到如圖3所示的化合物1的熒光光譜圖。從圖3可以看到，化合物1在DMSO溶液中的最大發(fā)射波長在570nm。以羅丹明B（Φf＝0．31，H2O）為參比，測得化合物1在DMSO溶液中的相對熒光量子產(chǎn)率為0．27，大的熒光量子產(chǎn)率表明化合物1在DMSO溶液中有強(qiáng)的熒光發(fā)射。

圖3 化合物1在DMSO溶液（1×10－5 mol／L）中的吸收光譜和熒光光譜圖

對化合物1在其他溶劑中的吸收和熒光性質(zhì)也進(jìn)行了表征。從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，化合物1表現(xiàn)出正的溶致變色效應(yīng)：最大吸收波長和熒光發(fā)射峰隨溶劑極性的增大發(fā)生紅移。此外，還可以看到：化合物1的熒光量子產(chǎn)率隨溶劑極性增大而依次減小，表現(xiàn)出常見的正溶致動力學(xué)效應(yīng)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了化合物1在極性溶劑中發(fā)生分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移躍遷。

采用Ti：sapphire的激光作為激發(fā)光源，測定了化合物1在DMSO溶液中的雙光子熒光。所測溶液的濃度為1×10－4mol／L，激發(fā)波長從720nm到920nm，每相隔10nm作為一個激發(fā)波長，并采用熒光參比法，以熒光素為參比，得到了化合物1從720nm到920nm的雙光子吸收截面（圖4）。從圖4中可以看到，化合物1從730nm到790nm波長范圍內(nèi)的雙光子吸收截面（σ＝200GM）沒有明顯變化，其對應(yīng)著單光子吸收范圍360～400 nm。從圖3可以看到，化合物1在DMSO溶液中短波長處的單光子吸收峰在310～400nm處沒有明顯差別，受激光器本身調(diào)諧波長的限制，激光器波長最小調(diào)到720nm，因而310～350nm所對應(yīng)的雙光子吸收在620～700nm左右的吸收截面無法測得，化合物1在920nm處（對應(yīng)單光子吸收峰460nm）的雙光子吸收截面為28．5GM。從圖4中可以看到，化合物1的最大雙光子吸收截面（σ＝212GM）出現(xiàn)在820nm處。從上述結(jié)果看到，化合物1的雙光子吸收截面（σ＝212GM）不是很理想。導(dǎo)致化合物1的雙光子吸收截面小的原因可能是分子中吡嗪環(huán)上的N原子所致。有機(jī)分子的雙光子吸收截面受到共軛程度和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移等因素的影響，共軛程度越大，分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移越強(qiáng)，雙光子吸收截面就越大。與苯環(huán)上的C原子性質(zhì)不同，吡嗪環(huán)上的N雜原子具有吸電子性質(zhì)，導(dǎo)致吡嗪環(huán)上的電子不是均勻分布在吡嗪環(huán)上，降低了分子的整體共軛程度。

表1 化合物1在不同溶劑中的光譜數(shù)據(jù)Optical data of 1in different solvents

圖4 化合物1在不同激發(fā)波長下DMSO （1×10－4 mol／L）中的雙光子吸收截面

化合物1在DMSO溶液的雙光子熒光發(fā)射如圖5所示。用920nm的光激發(fā)，在595nm處出現(xiàn)了一個強(qiáng)的熒光發(fā)射峰。與單光子熒光相比，雙光子熒光發(fā)生了25nm的紅移，引起這種熒光紅移的原因是溶液的再吸收［17］。通常，單光子熒光光譜在低濃度下測得，低濃度下的溶液再吸收現(xiàn)象可以忽略，因此熒光光譜表現(xiàn)為正常的發(fā)射峰。而雙光子熒光光譜必須在高濃度下進(jìn)行測試，在高濃度情況下，發(fā)出的熒光作為二次吸收的泵浦光重復(fù)被溶液吸收，導(dǎo)致熒光光譜發(fā)生紅移。

圖5 化合物1在DMSO溶液（1×10－3 mol／L）中的雙光子熒光發(fā)射光譜圖

圖6 化合物1在DMSO溶液（1×10－4 mol／L）中不同激發(fā)光功率下雙光子誘導(dǎo)熒光光譜圖

化合物1熒光強(qiáng)度隨激發(fā)光功率增加而變化的情況如圖6所示。從圖6可以看到，當(dāng)用920 nm波長的光激發(fā)時，化合物1的熒光強(qiáng)度隨激發(fā)光功率的增大而明顯增強(qiáng)，當(dāng)激發(fā)光功率從16 mW增大到142mW時（8．8倍），其熒光發(fā)射強(qiáng)度從9．6a．u．增大到420．7a．u．（43．8倍）。對于雙光子誘導(dǎo)的熒光，一個顯著的特性是熒光發(fā)射強(qiáng)度隨激發(fā)光功率的增加而增強(qiáng)，且與激發(fā)光功率的平方成正比關(guān)系［18］。將圖6中的熒光強(qiáng)度和激光功率取對數(shù)后作圖，得到了如圖7所示的熒光強(qiáng)度與激光功率關(guān)系圖。從圖7看出，以lgF（熒光強(qiáng)度取對數(shù)）為縱坐標(biāo)，lgP（激光功率取對數(shù)）為橫坐標(biāo)作圖，得到一條直線，其斜率約為1．64。熒光強(qiáng)度與激光功率之間很好的相關(guān)性（R2＝0．99）證明化合物1在920nm波長光激發(fā)下所發(fā)射的熒光確實(shí)為雙光子誘導(dǎo)機(jī)制。

圖7 化合物1在DMSO溶液（1×10－4 mol／L）中雙光子誘導(dǎo)熒光強(qiáng)度與激發(fā)光功率關(guān)系圖

3 結(jié)論

利用飛秒激光研究了2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪雙光子性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪具有雙光子吸收特性，在820nm處的最大雙光子吸收截面為212 GM。熒光性質(zhì)表明，2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪在近紅外光（920nm）激發(fā)下具有強(qiáng)熒光發(fā)射，其熒光強(qiáng)度隨激光功率的增大而增強(qiáng)，且與激光功率的二次方有很好的線性關(guān)系，證明了2，5－雙（對二甲氨基苯乙烯基）吡嗪在近紅外光照下的發(fā)光為雙光子誘導(dǎo)發(fā)光機(jī)制。

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