杂化态蓝色荧光材料在电致发光器件和神经毒剂检测方面的应用

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为解决有机电致荧光材料的三线态激子利用限制问题,热致延迟荧光(Thermally-Activated Delayed Fluorescence,TADF)机制、三线态-三线态湮灭(Triplet-Triplet Annihilation,TTA)机制以及我们课题组提出的杂化局域-电荷转移激发态机制(Hybrid Locally-excited and Charge-Transfer,HLCT)被先后提出。HLCT态分子将局域激发(Locally-Excited,LE)态和电荷转移(Charge-Transfer,CT)态组分有效地组合杂化,不但可以解决纯CT态空穴和电子波函数分离带来的低发光效率问题,而且可以有效抑制由纯CT态导致光谱红移和增宽的现象,更适合构筑高效率蓝光发射材料。另一方面,杂化态材料在受到特定的外界刺激后,可引起“脱杂化”现象,使其回复到初始或与初始状态相似的纯LE态和纯CT态,即未杂化状态,进而导致激发态性质与发光性质的改变,实现对特定物质的荧光检测,例如神经毒剂。近年来,神经毒剂作为一种致死率极高的化学武器,严重威胁国际公共安全。将杂化态材料应用于对神经毒剂的检测中,可以解决目前常见的检测方法(如质谱分析法等)难于实现快速现场检测的问题。更重要的是,脱杂化荧光检测机制与其他经典的利用能量陷阱造成荧光淬灭的检测机制不同,这种基于激发态本质构筑的分子探针,具有更高的灵敏度和更好的选择性,是实现高效率神经毒剂检测探针的一个重要分子设计思路。本论文以杂化激发态构筑为基础,围绕解决高效率有机电致蓝色荧光材料这一核心问题,设计并合成了一系列以三氮唑结构为受体、三苯胺为给体具有不同杂化程度的D-A结构荧光小分子,理论与实验结合,系统地研究了它们的结构、光物理性质、电致发光器件以及神经毒剂类似物传感性能。论文主要工作内容及结论如下:(1)以TPA-BTAZ为基础,设计了相互垂直型的LE和CT态杂化的分子体系(TPA-HTAZ和TPA-CNTAZ),可以通过改变扭曲角以及垂直方向增加受体强度等方法来调控杂化态中CT组成比例,为实现杂化激发态提供了新的结构设计思路。(2)构筑了弱耦合的杂化态分子TPA-2CNTAZ以及强耦合的杂化态分子TPA-HTAZ、TPA-BTAZ和TPA-CNTAZ,通过比较两类杂化态分子的掺杂器件电致发光性能,发现弱耦合的HLCT分子更利于实现深蓝光发射,但强耦合分子在发光效率和激子利用率方面更优。(3)利用上述四个杂化态分子作为荧光探针对神经毒剂类似物进行检测,实现了目前领先的检测限(LODTPA-HTAZ=0.25 ppb),响应时间快(小于2 s),并且具有良好的重复性和抗干扰能力,体现了HLCT材料在荧光检测方面的优势。
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