（光学工程专业论文）有机吡啶盐类双光子吸收特性研究.pdf

摘要 利用近2 倍于样品的线性吸收波长的强光源激发样品，可使其通过一个虚中间态直接吸 收两个光子跃迁到较高激发态，该过程称为双光子吸收。分子通过双光子吸收到达激发态并 产生荧光的过程称为双光子诱导荧光。双光子吸收过程是三阶非线性光学过程，具有很强的 穿透性和较好的空间选择特性。目前双光子吸收材料和双光子泵浦荧光上转换材料在光限 辐、三维信息存储、光动力学治疗、生物体三维成像、双光子上转换激光、双光子荧光显微 技术、三维光刻等方面得到了广泛的应用和研究。设计并合成具有较大双光子吸收截面和较 高频率上转换荧光效率的新型化合物，已成为当前国际上光子材料研究中的一个热点问题。 通过改变给电子基团的空间构型，我们合成了一种具有较大双光子吸收截面的有机分子 2 - ( 5 久洛尼啶) 亚乙烯基n - 甲基吡啶碘盐o v p i ) 。与4 一 4 一( n ，n - 二苯基) 一苯乙烯 基卜n 一甲基吡啶碘盐( d p a s p i ) 分子不同，j v p i 的给电子基团是被两个六元环固定到苯环 上，在一定程度上减弱了c n 单键的转动对吡啶盐分子荧光的影响。d p a s p i 在最大吸收波 长7 8 8 n m 处，截面值仅为4 4 2 4 x1 0 巧o c m 4 s p h o t o n lp 而p i 在最大吸收波长8 4 8 n m 处截 面值达到了1 2 7 2 4 1 0 4 0c m 4 s p h o t o n 1 0j v p i 在最大吸收波长处的双光子吸收截面增大了 近2 倍。实验结果表明，我们对吡啶盐分子给电子基团的空间结构的修饰，可大大提高其双 光子吸收性能。 在很多应用领域要求分子不仅具有较大的双光子吸收截面和高效的双光子泵浦频率上 转换荧光，同时还需具有其他辅助特性，如良好的水溶性、无生物毒性和抗漂白性等特点。 我们通过反相微乳液法制备了包裹有4 - ( 9 一乙基9 h 一咔唑- 3 - 苯亚乙烯基) 一n - 甲基吡啶碘盐 ( c s p i ) 的纳米二氧化硅微球( c s p i s s ) 。通过研究它们的单光子吸收光谱，发现它们存在相 类似的溶剂效应，这说明溶剂能部分渗透n - - - 氧纳米粒子的内部并影响包埋的染料分子的基 态和激发态。比较c s p i 与c s p i s s 的单光子和双光子荧光光谱可以发现，染料被包裹后荧 光发射能力大大增强了。这可能是由于染料分子嵌入了二氧化硅的网链结构中，分子的扭曲、 转动、振动受到了限制，导致其非辐射跃迁几率降低。我们利用两种染料对细胞进行单光子 和双光子荧光成像，均成像比较清晰，而c s p i s s 由于具有更强的单光子和双光子荧光发射 能力、良好的水分散性、无生物毒性以及更成熟方便的可修饰性，使其在生物科学领域具有 更广阔的潜在应用前景。 关键词：吡啶盐、双光子吸收、双光子荧光、溶剂效应、细胞成像 a b s t r a c t ag r o u n ds t a t em o l e c u l ed i r e c t l yt r a n s f e r st oah i g he x c i t e ds t a t ev i aav i r t u a ls t a t eb y s i m u l t a n e o u s l ya b s o r b i n gt w op h o t o n s ，w h o s ew a v e l e n g t hi sa st w i c ea st h el i n e a ra b s o r p t i o np e a k t h i sp r o c e s si sc a l l e dd e g e n e r a t et w o - p h o t o na b s o r p t i o n ( t p a ) t h em o l e c u l ei nt h ee x c i t e ds t a t e t h r o u g ht p a c o u l dr e l a xt ot h eg r o u n ds t a t e ，e m i t t i n gf r e q u e n c yu p e o n v e r s i o nf l u o r e s c e n c e ( t p e f ) t h et p ap r o c e s si sat l l i r do r d e rn o n l i n e a ro p t i c a lp r o c e s s ，s h o w i n gd e e pp e n e t r a b i l i t y , p r e c i s e s p a t i a lo d e n t a t i o n a tp r e s e n t , i n c r e a s i n gi n t e r e s th a sb e e na t t r a c t e do nt h et w o - p h o t o ne x c i t e d m a t e r i a l sf o rt h e i rw i d ea p p l i c a t i o n s ，s u c h 舔o p t i c a lp o w e rl i m i t i n g ，t h r e e d i m e n s i o n a ld a t a s t o r a g e ，p h o t o d y n a m i ct h e r a p y , n o n d e s t r u c t i v ei m a g i n g , f r e q u e n c yu p - c o n v e r t e dl a s i n g , t w o - p h o t o nf l u o r e s c e n tm i c r o s c o p e ，t h r e e - d i m e n s i o n a ll i t h o g r a p h y , e t c m e a n w h i l e ，d e s i g na n d s y n t h e s i so fn e wc o m p o u n d sw i t hl a r g et p ac r o s ss e c t i o na n de f f i c i e n tf r e q u e n c yu p c o n v e r s i o n f l u o r e s c e n c eh a v eb e c o m eah o ta r e ai no p t i c a lm a t e r i a l s c h a n g i n gt h es p a t i a ls t r u c t u r eo ft h ed o n o rg r o u pi np y r i d i n i u m ，w es y n t h e s i z e dak i n do f o r g a n i cd y e w i t h l a r g et w o - p h o t o na b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o n , 2 - ( 5 - j u l o l i d i n e ) - v i n y l - n - m e t h y l p y r i d i n i u mi o d i d e ( j v p i ) t h ed o n o rg r o u po fj 、甲i ，d i f f e r e n tf r o mt r a n s - 4 - p - ( n ，n - d i p h e n y l a m i n o ) s t y r y l - n m e t h y l p y r i d i n i u mi o d i d e ( d p a s p i ) ，i sf i x e dt ot h ep h e n y lb y t w oh e x a t o m i cr i n g s t h a td e c r e a s e st h ec - nr o t a t i o no fp y r i d i n i u mt os o m ee x t e n t , w h i c h i n f l u e n c et h ef l u o r e s c e n c ee m i t t i n g t h em a x i m u mt p ac r o s s - s e c t i o nv a l u eo fd p a s p ii so n l y 4 4 2 4 x1 0 。5 0c m 4 s p h o t o n 1a tw a v e l e n g t ho f7 8 8 n m w h i l et h ev a l u eo fj v p ic r o s ss e c t i o n r e a c h e st h em a x i m u mo f12 7 2 4 x10 。5 0c m 4 s p h o t o n 1a tw a v e l e n g t ho f8 4 8 n m n a m e l y , i t s m a x i m u mt p ac r o s ss e c t i o ni sa l m o s tt w ot i m e sl a r g e rt h a nt h a to fd p a s p i t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h em o d i f i c a t i o no fs p a t i a ls t r u c t u r eo ft h ed o n o rg r o u pw o u l dr e m a r k a b l yi m p r o v ei t st p a a b i l i t y i nm a n ya p p l i c a t i o n s ，t h ec o m p o u n d sn e e dt oh a v en o to n l yl a r g et p ac r o s ss e c t i o na n d e f f i c i e n tf r e q u e n c yu p c o n v e r s i o nf l u o r e s c e n c e ，b u ta l s os o m eo t h e ra u x i l i a r yp r o p e r t i e s ，s u c h 豁 g o o dw a t e rs o l u b i l i t y , n o n t o x i cb i o l o g i c a l l ya n da n t i p h o t o b l e a c hc h a r a c t e r i s t i c s w eh a v ep r e p a r e d u n i f o r ms i l i c a n a n o p a r t i c l e s ( c s p i - s od o p e d w i t h 4 - ( 9 - e t h y l - 9 h - c a r b a z o l e - 3 - s t y r y l ) - n m e t h y l p y r i d i n i u mi o d i d e ( c s p i ) b yt h er e v e r s em i c r o e m u l s i o nm e t h o d t h er e s e a r c ho nt h e i r s i n g l ep h o t o na b s o r p t i o ns h o w st h a tt h e yh a v es i m i l a rs o l v e n te f f e c t , w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e s e s o l v e n t sp a r t l yp e r m e a t ei n t ot h es i l i c an a o p a r t i c l e sa n di n f l u e n c et h eg r o u n da n de x c i t e ds t a t e so f t h ed y em o l e c u l e s 。c o m p a r e dt h eo n ep h o t o na n dt w op h o t o nf l u o r e s c e n c eo fc s p lw i t ht h o s eo f c s p i s s , w ef i n dt h a tt h ef l u o r e s c e n c eo fa ne n c a p s u l a t e dd y ei se n h a n c e d t h i se n h a n c e m e n t c o u l dr e s u l tf r o mt h ef a c t t h a tt h ep r o b a b i l i t yo fn o n r a d i a t i v et r a n s i t i o ni sd e c r e a s e d t h e d e c r e a s i n gr e a s o ni st h a tt h ed i s t o r t i o n ，r o t a t i o n ，a n dv i b r a t i o no ft h em o l e c u l ea r er e s t r i c t e df o r t l t h ed y em o l e c u l e se m b e d d e di n t ot h es i l i c an e ts t r u c t u r e a d d i t i o n a l l y , w eh a v eo b t a i n e dg o o d i m a g i n go fc e l l sm a r k e dw i t h c s p ia n dc s p i s sb y u t i l i z i n go n e p h o t o na n dt w o - p h o t o n f l u o r e s c e n c em i c r o s c o p y b e c a u s ec s p i s se x h i b i t st h el u m i n o u so n e p h o t o na n dt w o - p h o t o n f l u o r e s c e n c e ，g o o dw a t e rs o l u b i l i t y , n o n t o x i c i t ya n df l e x i b l em o d i f i c a t i o n ，i th a sp o t e n t i a lf o r a p p l i c a t i o n si nb i o s e i e n c ef i e l d i nf i r s tc h a p t e r ，t h ec o n c e p t ，h i s t o r i c a ld e v e l o p m e n ta n dp r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so ft w o - p h o t o n a b s o r p t i o no p a ) i si n 仃o d u c e di nt h i sa r t i c l e i ns e c o n dc h a p t e r ，t h es t u d yo nt h em o d i f i c a t i o no f s p a t i a ls t r u c t u r eo ft h ed o n o rg r o u ps h o w st h a ti ti n f l u e n c e st h et w o - p h o t o na b s o r p t i o na b i l i t yo f o r g a n i cm o l e c u l e s i nt h i r dc h a p t e r , t h ee f f e c to nt h et p af l u o r e s c e n c eb ye n c a p s u l a t i n gt h ed y e m o l e c u l e si nt h em i c r o - s p h e r e si sd i s c u s s e di nc o n t r a s tt ot h em o n o m e rs o l u t i o n e v e n t u a l l y ，t h e w h o l er e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si ss u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c t sa l eg i v e n k e y w o r d s ：p y r i d i n i u m ，t w op h o t o na b s o r p t i o n , t w op h o t o nf l u o r e s c e n c e ，s o l v e n te f f e c t , c e l l i m a g i n g i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：皇! l 塑 日期：2 1 生f 二i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：2 竺盘：兰! z 、 东南大学硕士论文 第一章绪论 信息时代，光子、电子成为信息的主要载体，特别是光子作为信息的载体，已成为信息 科技领域的发展趋势。在这种趋势下，产生了由化学、光学、电子学以及材料科学相结合的 新的交叉学科非线性光学( n o n l i n e a ro p t i c s ，n l o ) 。光子学与光子技术的发展离不开光 子材料的研究，非线性光学材料作为光电子技术中的关键材料而获得广泛的关注。 纵观菲线性光学的发展历史，早期的工作都集中在无机材料的研究上。随着非线性光学 的飞速发展，它提供了研制光子器件的科学基础和主要技术。但是要从实验室走向实际应用， 现在的无机材料的制约因素越来越明显。传统的固态非线性光学材料主要是k d p 和l n 等氧化物和铁电晶体，它们存在一系列缺点，如多数氧化物晶体的非线性系数不高等。与无 机材料相比，有机非线性材料最突出的优点是：它能在分子水平上进行结构设计，以期取得 最佳的光学非线性响应和其它特定的光电性质，它的可塑性又使它容易成膜，可以制备高度 有序取向的极化聚合物膜。 1 1 双光子吸收的概念 在很多具有大的非线性折射率的材料中，通常都具有明显的非线性吸收，这种非线性吸 收可以包括饱和吸收、反饱和吸收以及双光子吸收等。 双光子吸收( t w o - p h o t o na b s o r p t i o n ，狐) 是三阶非线性效应的一种，其基本过程是处于 基态的分子或原子同时吸收两个光子直接跃迁到激发态。这种双光子过程的强弱，取决于原 子或分子体系相应的跃迁几率或截面、光场与体系跃迁的共振或非共振特性以及光场的强度 e l i 卜l 一 几瑚二。 l 一一一 图1 1 单光子吸收和双光子吸收过程示意图 s ，i r t 卫n l 第一章绪论 ( s o 为基态，s - 为第一单重激发态，s y 一。为中间虚能级) 有机分子的双光子吸收过程与单光子吸收过程存在着不同的机制嵋1 ，图1 1 给出了双光 子吸收与单光子吸收的电子跃迁能级图。图中s o 为基态，s ，为第一单重激发态，s 晰为 中间虚能级。比较图中显示的单光子和双光子吸收过程可知，单光子吸收是有机分子吸收一 个短波长的光子到达s 。态的高能振动能级，分子在这个高振动能级上寿命极短，可迅速弛 豫到第一单重激发态s 。的最低振动能级，再通过光辐射的形式发射出长波长的荧光到达基 态，或者通过内转换以及化学反应等途径失活。与单光子吸收过程不同，双光子吸收是用波 长较长的强入射光照射介质分子，例如1 0 6 4 n m ，基态的分子可能通过中间的虚能态吸收两 个光子跃迁到激发态的某个高能振动能级。由于分子的这个高振动能级和激发态s ，的最低 振动能级的能量差很小，分子在高振动能级上的寿命极短，可迅速通过无辐射过程弛豫到激 发态s 。的最低振动能级。处于最低振动能级的分子可通过无辐射跃迁回到基态s o ，也可以 通过光辐射形式发出波长较入射光波长短的荧光。 双光子吸收行为是分子或原子在强激光作用下同时吸收两个光子，经过一个中间虚能态 直接从基态跃迁到激发态的过程。在光场作用下，介质中的电荷分布会发生变化，这种变化 导致极化强度的变化，即诱导极化率。从微观角度上看，单个分子在外界场的作用下表现出 的诱导极化率a 可表示为h 1 ( e ) 2 + a e + 脚+ 弘日晒+ 式( 1 1 ) 其中胁为分子的永久极化率，口为线性极化率系数，和厂分别为二阶和三阶极化率系数。 当外加光场较弱时，上式中的高次项可以忽略，反之，高次项对诱导极化率的贡献将不可忽 略。对于宏观材料，在强激光的作用下，其极化强度可表示为h 1 p ( e ) - - 若o z o ) e + 6 0 x ( 2 ) e e + 8 0 z ( 3 ) 脚+ 式( 1 2 ) 式中氏为真空介电常数，z o ) 为介质的线性极化率，z ( 2 1 、z ( 3 1 分别为二阶、三阶电极化 率。它们都是复数形式，其实部与折射率相关联，虚部描述了吸收过程。双光子吸收是三阶 非线性极化率的虚部描述。 双光子吸收过程实际上是一个光与介质问的能量交换的耗散过程。在单位时间、单位体 积内光与介质互相交换的能量可表示为 塑d t = 雾舳( 纠c拧2 2 ”， 式( 1 3 ) 其中国为光场的频率，为光强，刀为介质的折射率，c 为光速，i i i l ( z 3 ) 表示三阶非线 性极化率的虚部。 与单光子吸收不同的是，双光子吸收过程中光与介质在单位时间、单位体积内的能量交 换与入射光强度的平方成正比，因此单位时间内介质吸收的光子数为 2 东南人学颂j ：论文 孕：吒胁z = 仃f p d l 2 其中吒为双光子吸收截面( 单位为c m 4 s p h o t o n 1 m o l e c u l e l ) ， f ：三 h v 为光子数密度，h 为普朗克常数，y 为入射光的频率。 由公式( 1 3 ) 和( 1 4 ) ，可得 吒= 崭h ( 纠 式( 1 4 ) n 为单位体积的分子数， 式( 1 5 ) 从上式可以看出，材料的双光子吸收截面与材料的三阶非线性极化率的虚部成正比。 1 2 双光子吸收材料的进展 早在1 9 3 1 年，g o p p e r t - m a y e r 就从理论上预言了双光子吸收的存在，并利用二阶微扰理 论研究了双光子吸收过程，导出双光子过程的跃迁几率，得到双光子跃迁选择定则完全不同 于单光子跃迁选择定则的结论哺1 。但是，由于受到普通光源发光为弱光的限制，长期以来， 双光子吸收过程无论在理论还是在实验上均没有得到重视，二十世纪六十年代初激光器的出 现为非线性光学研究提供了合适的相干光源，各种非线性光学现象逐渐被实验观察到。1 9 6 1 年9 月，紧跟着倍频【6 】效应的实验观察，k a i s e ra n dg a r r e t t 等人首次从实验上证实无机晶体 中存在双光子吸收过程口1 。当他们用聚焦的红宝石脉冲激光( 6 9 4 3 n m ) 照射掺杂了0 1 e u 2 + 离子的c a f 2 晶体时，观察到很强的蓝色双光子上转换荧光，从而证实了g o p p e r t - m a y e r 关 于双光子吸收的预言。1 9 6 3 年1 月，p i t i c o l a s 等人首次在有机晶体中观察到双光子激发现象。 他们将红宝石激光器出射的激光( 6 9 4 3 衄) 聚焦到葱( a n t h r a c e n e ) 、菲( p h e n a n t h e n e ) 等稠环 芳烃的微晶中，观察到有机物微晶的蓝绿色( 4 0 0 5 0 0 n t o ) 荧光发射。荧光强度和激发光强度 的平方关系曲线证实他们观察到的是有机双光子诱导荧光发射。通过实验，p i t i c o l a s 等人还 指出，这些有机微晶的双光子诱导荧光发射光谱与紫外光( 3 4 7 1 n m ) 激发下的荧光发射光谱 有着同样的谱型埔1 。同年9 月，g i o r d m a i n e 等人利用调q 红宝石激光器出射的激光( 6 9 4 3 彻) 测量了二硫化碳液体的双光子吸收截面旧1 ，这是实验上首次对双光子吸收截面的绝对值进行 测量。同年1 1 月，h o p f i e l d 等人首次将红宝石激光同紫外连续光源相结合，在很宽的频率 范围研究了k i 晶体双光子吸收的色散特性，即双光子吸收光谱，并将实验结果同理论预测 相对比，判断了不同理论模型的优缺点。由于双光子电偶极跃迁中初态与终态有着相同的宇 称，而单光子电偶极跃迁中初态与终态的宇称正好相反，双光子吸收谱测量结果成为单子吸 收谱的有益补充，这揭示了双光子吸收在光谱学方面的重要应用：单光子吸收光谱和双光子 吸收光谱互相补充，理论上可以使物质在光学区域内的所有基态和激发态得到测量和研究 【1 0 1 1 在随后的三十年里，随着高峰值功率的调q 和锁模脉冲激光器的发展和广泛应用，人们 对双光子吸收现象进行了大量的研究，在半导体晶体、有机液体和晶体、聚合物、生物材料 以及稀土材料中都观察到双光子吸收现象2 1 。然而，由于一般材料的双光子吸收截面很小， 这些研究大多数只是停留在实验研究阶段，双光子吸收效应的实际应用仍然受到限制。 3 第一章绪论 近二十年来，伴随着分子工程( 即在结构一性能关系基础上建立的对功能材料进行“剪 裁”设计的科学) 和有机合成技术的发展，许多具有优良非线性光学性质的有机材料相继问 世n 引，它们在非线性光学领域的美好应用前景为人们所认识。人们对这些有机分子的结构一 性质关系进行了深入研究，总结规律，用来指导新型非线性光学材料的设计合成。 1 2 1 二苯乙烯类和均二苯乙烯衍生物类双光子吸收材料 上世纪9 0 年代开始，科学家们通过苯基、乙烯基将电子给体或者电子受体连接起来， 获得了很多性能优秀的双光子吸收材料。其结构模式如图1 2 所示。 d i d d a a 鼻a 图1 2 两类具有强双光子吸收的分子结构 e n p r a s a d 教授领导的研究小组主要致力于“d - - a ”结构的有机分子的设计和合成， 1 9 9 5 年，该研究小组合成的一系列二苯乙烯吡啶染料分子的双光子吸收截面比其它已知分 子( 如r h o d a m i n e 6 g ) 的双光子吸收截面值高出两个数量级，并在8 0 0 n m 纳秒脉冲激光泵 浦下首次在二苯乙烯吡啶盐染料a p s s 溶液中实现5 5 5 n m 的上转换激光输出。在此后的几 年中，该研究小组陆续报道了一些具有大的双光子吸收截面和上转换效率的“d - - 兀- a ”结构 的有机染料，并对它们的非线性光学性质进行了较为系统的研究u 4 。1 。 1 9 9 8 年，p r a s a d + 组又和r e i n h a r d t d x 组联合报道了一系列以药分子为主干两端分别为电 子给体( d o n a r ) 和受体( a c c e p t o r ) 的强双光子吸收的有机化合物分子，测得它们双光子 吸收截面高达1 0 啪c l l l 4 s p h o t o n 。并指出分子的共平面性，共轭长度以及芳香桥的性质都对化 合物的双光子吸收截面有影响。在此研究基础上，b e l f i e l d 等人u 乳1 9 1 设计合成了一系列以芴 为刚性骨架的有机化合物分子，发现它们都具有非常大的双光子吸收截面，而且从吸收的光 子能量上比较，它们的线性吸收光谱和非线性吸收光谱非常接近。随后，2 0 0 1 年p r a s a d d 、组 报道了仍以芴为主干，改变受体的有机化合物分子心叭，并比较了这类分子的双光子吸收截面。 指出引入杂环( 苯并噻唑) 能明显提高有机化合物分子的化学稳定性、热稳定性以及光稳定 性，并预示它们在激光限幅方面的应用前景。最近几年，p r a s a d d 、组又研究了一系列二苯乙 烯吡啶染料分子，对分子的给电子基团和吸电子基团做了不同的修饰，研究了它们优秀的光 限辐、多光子荧光方面的性能，指出了这类分子广阔的应用前景埋1 剁。 增加共轭长度 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 4 - 东南人学硕 j 论文 增加共轭长度q n f 改变共轭桥 图1 3p n p r a s a d 小组合成的一系列有机双光子吸收材料 与此同时， s r m a r d e r 和p e n y 的研究小组比在s c i e n c e 上提出了分子内电荷对称转移 的概念，不同于广泛研究的“d 一- a 分子的不对称电荷转移，设计、合成了一系列具有具 有d - 一d ，a - 一a ，i ) - 兀- a 一瓢- d 等对称型结构的对称结构的有机分子，随后，m a r d e r 等人 珏都又在j a m c h e m s o c 上详细的报道了这类化合物的结构与双光子吸收能力的关系。文 章指出：增加共轭链的的长度有利于提高双光子吸收截面，且呈线性关系，双光子吸收截面 增加幅度与共轭链桥的类型有关。1 9 9 9 年，该小组又首次报道了用该类对称结构的有机化 合物作为双光子聚合引发剂，制备了微米级的三维周期结构，引起科学界的广泛关注幢劓。在 此研究基础上，l u o 等人研究了一系列以三苯胺为骨架，不同共轭桥长度的小分子，发现增 加共轭链的的长度有利于提高双光子吸收截面对此类分子一样适用晗鲥。 图1 4s & m a r d c r 小组合成的一系列有机双光子吸收材料 最近c o r r e a 等汹1 用z 一扫描技术研究了一系列v i c d s 的双光子吸收性质研究显示 四羧酸二萘嵌苯的衍生物( p t c d s ) 具有很大的双光子吸收截面，其非线性光学性质主要 是由分子的主体部分决定，分子侧端的取代基对双光子吸收截面的影响不大。 5 第一章绪论 1 2 2 多枝及树状分子 为了获得更大的双光子吸收截面材料，一方面可通过设计合成新的双光子吸收化合物，另一 方面可在不发生分子间聚集的条件下提高生色团的密度。由此，研究人员开始设计合成含双 光子吸收基团的多分枝结构或树型分子结构。p r a s a d 研究组幢刀于1 9 9 9 年首次提出了多枝分子 的设计思想，研究发现，在多枝分子中，随着枝数增多单、双光子吸收和荧光峰位红移，双 光子吸收截面值显著增大，且吸收截面值不是与枝数成正比而是与接近枝数的平方成正比， 这表明多枝分子的各个分支之间存在协同作用，而并非简单的相加。这表明多枝化合物( 特 别是三枝化合物) 具有显著的t p e f 增强效应。之后，大批多枝或树状分子相继被合成出来， 其中有些具有较强的双光子吸收效应啪棚，。 图1 5 几种典型的多枝及树型分子的结构图 2 0 0 3 年，p r a s a d 小组又报道了一种具有很强的双光子泵浦上转换荧光的树型分子啪1 。 在树型分子的外围是具有双光子吸收特性的官能团，作为能量吸收单体( 称为天线) ，在树 型分子的中心引入荧光发射官能团( 称为核) 。利用树型分子的光获效应( 1 i g h th a r v e s t i n g e f f e c t ) 和分子内能量转移，由多个天线吸收的能量转移到荧光发射核，从而使荧光强度大 大增强。 o l i v i e r 等设计并合成了一系列三苯胺多枝化合物；结合理论计算，对可能影响双光子 吸收性能的结构因素进行了讨论，研究表明合适数量的树枝间存在耦合效应，对双光子吸收 性能有促进作用。 - 6 - 东南人学硕j ：论文 王筱梅等设计并合成了一系列以三苯胺为母核的多枝状化合物；研究发现，随着取代 枝数的增加，双光子吸收截面增大，但增大比例并不与枝数的平方成正比，且双光子吸收截 面与溶剂及测试条件有很大的相关性。 韩国的r a ec h o 掣3 2 1 合成了一系列三枝状化合物，研究了共轭链长度及不同吸电子基对 双光子吸收截面的影响，研究表明，随着共轭链的增长分子的双光子吸收截面增大，而在共 轭链中间引入吸电子基氰基后增强了分子内的电荷转移，显著增强了双光子吸收性能，其吸 收截面达1 3 6 0 g m 。 钱鹰1 等设计并合成了一系列以1 ，3 ，4 一嗯二唑为电子受体的多枝化合物；研究发现， 增强给电子能力有利于双光子吸收截面的增大，分子的平面性与电子共轭性对化合物的双光 子吸收性能有很大影响：对于树枝状化合物，随着树枝数目的增加，化合物的双光子吸收截 面显著提高，树枝间有一定的协同效应。 z h o u 等阱1 用z i n d o s o s 方法对有机分子的单光子和双光子吸收性质进行了系统的理 论研究，他们的研究表明耦合中心对多分枝分子的双光子性质具有重要影响 目前，虽然有很多物质已经具有较大的双光子吸收截面，表现出较好的激光上转换能力 以及光限幅效应，但是其双光子吸收截面尚不足以达到实际应用的要求。另外，材料双光子 吸收性能在分子层面上的构效关系还不是很清楚。因此，对不同分子结构的有机分子进行研 究，比较不同材料双光子吸收性能的差异，寻找分子结构对双光子吸收性能的影响，合成具 有大双光子吸收截面的有机分子，具有很好的理论与实用意义，也是本文的研究重点之一。 1 3 双光子吸收材料的应用 双光子吸收是基态分子通过中间虚能级同时吸收两个光子到达激发态的过程。其跃迁几 率与入射光强的平方成正比，而且入射光的光强必须达到一定的阈值，才能产生可观的双光 子吸收现象。因此可利用激光聚焦技术将双光子吸收效应局限于材料内部大小为 3 ( 入为 入射光的波长) 的空间范围内，具有很好的空间选择性。同时双光子吸收是一种长波吸收短 波发射的过程，其吸收波长原理单光子区域，大大减少了单光子吸收损耗，具有很强的穿透 性。双光子吸收材料具有的这些特性使它们在双光子吸收光限幅、双光子泵浦的频率上转换 激光、三维光信息存储、双光子激光扫描共焦显微技术、三维微加工、双光子光动力学治疗 等领域显示出诱人的应用前景防蚓。在这里着重介绍在生物荧光探针方面的应用。 1 3 1 双光子吸收光限幅 光限幅效应是指在弱入射光强下，材料具有高透射率，当入射光强增大到一定程度，由 于材料的某些非线性特性，其透射率明显下降，透射光强被限制在一定范围内。随着高能量、 短脉冲、波长可调谐的激光的产生，人眼、光学传感器等敏感元件受到的潜在威胁也越来越 严重，这就对激光防护提出了新的要求。理想光限幅器件的光响应是：当入射光强低于阈值 时，透射光强与入射光强的关系是线性的：当入射光强超过阈值时，透射光强保持一个定值， 同时要求损伤阈值高，响应时间快，限幅范围宽，如图1 6 所示。 7 第一章绪论 i n c i d e n ti n t e n s i t y 图1 6 理想光限幅器的不意图 当入射光强小于阈值( t h r e s h o l d ) 时，其透射率为1 0 0 ；当入射光强大于阈值后，其 透射光被限制为一个固定的值。双光子吸收与入射光强的平方成正比，对弱光信号有很高的 透过率，随着入射光强的增大，材料的吸收显著增大，从而将透射光强限制在某个定值，具 有几乎瞬时的响应特性；另外有机分子结构的可裁剪性使人们可以根据光限幅的要求有目的 设计、合成出具有大双光子吸收截面的有机材料。近年来，基于双光子吸收的有机光限幅材 料被大量合成，成为研究的热点口叫。 1 3 2 双光子吸收引发的光聚合进行三维光信息存储和三维微加工 随着信息激射的迅速发展，进一步提高存储密度和容量是人们努力追求的目标。通常的 二维存储受衍射的限制，不可能满足未来技术发展的要求，解决的办法有二维近场存储和三 维光学存储方式。与近场存储相比，三维光学存储技术具有随机存取、遥感操作、信息在记 录介质内部而不是在表面、不易受损等优点。 在己报道的存储方式中，利用双光子激发诱导光致聚合实现三维光存储的方式得到了富 有成效的研究。在聚焦条件下，双光子吸收局限于焦点处入3 大小量级的空间体积内，因此， 双光子吸收引发的聚合反应也就发生在这一局域体积内，焦点外其它区域内的分子则不发生 任何结构变化，利用这一点，可以通过移动焦点在介质内的位置来进行信息写入，最后利用 聚合物与非聚合物的折射率、荧光等物理性质的明显差异实现信息的读出潞删。 在含有引发剂与聚合物单体的体系内，利用双光子激发诱导光致聚合不但可以实现光信 息存储，还可以实现三维结构光学微加工。上面已经提到，双光子吸收引发的聚合反应发生 在焦点处天3 大小量级的空间体积内，焦点外的其它区域不发生聚合。由于聚合物与非聚合 物的溶解性明显不同，在光致聚合后，可以利用合适的溶剂将非聚合物除去，留下聚合物的 三维空间结构，从而实现三维光学微加工。2 0 0 1 年，日本科学家k a w a t a 等利用超短脉冲激 光诱导光刻胶发生双光子聚合反应，利用波长为7 8 0 n m 的近红外飞秒脉冲激光雕刻出了一个 血红细胞大小( 长l ol jm ，高7um ) 的公牛像( 纳米牛) 1 ，其激光加工分辨率达到了1 2 0 n m 突破 了传统光学理论的衍射极限，实现了利用双光子加工技术制造亚微米精度的三维结构。纳米 牛的出现引起了人们对双光子加工技术的极大关注，世界各国均广泛开展了相关研究工作， 并先后制备出微弹簧h 8 ，螺旋微转子m 1 ，光子晶体嘲5 ，光波导m 1 ，微型激光器5 3 1 等各种功能 - 8 - 东南大学硕 ：论文 性微尺度器件同时，双光子技术也被应用到高分子纳米复合材料5 4 1 及金属材料等嵋5 不同材 料三维微结构的制备中。由于双光子技术具有高精度、真三维加工等特点，可望不久的将来 在光子学器件、微机电系统等领域得到广泛的应用蚋7 1 。 13 3 双光子荧光显微术 1 9 9 0 年，美国康奈尔大学d e n k 等提出嘲1 ，将双光子荧光效应应用到共焦激光扫描显微 中，开辟了双光子荧光显微和成像应用新领域。双光子荧光显微和成像的原理如图 所示， 相对于传统的单光子共焦激光扫描显微，双光子共焦显微具有许多突出的优点m 1 ：( 1 ) 双光 了共焦显微镜可以采用波长比较长的、在生物组织中穿透能力比较强的红外激光作为激发光 源，因此可以解决生物组织中深层物质的层析成像问题；( 2 ) 由于双光子荧光波长远离激发 波长，因此双光子共焦显微镜可以实现暗场成像；( 3 ) 双光子荧光可以避免普通荧光成像中 的荧光漂白问题和对生物细胞的光致毒问题；( 4 ) 双光子跃迁具有很强的选择激发性，有利 于对生物组织中一些特殊物质进行成像研究；( 5 ) 双光子共焦显微镜具有更高的横向分辨率 1 和纵向分辨率，在紧聚焦的条件下，双光子吸收仅局域于物镜焦点处的空间体积约l 。的范 围内，甚至不使用共焦小孔，就能得到高清晰的三维图像，使共焦显微镜的设计大为简化， 易于操作。 岫断o 1 3 4 荧光探针 一i n - f a c t o i l 埘 一o m t o f k m l i 鼋k 图1 7 双光子荧光显微原理示意图 荧光标记技术是利用荧光物质通过物理或化学作用与待测组分结合，使待测组分与荧光 物质结合形成复合物，经过荧光检测而获得被测组分定性或定量的信息。早期的荧光探针一 般为分子探针，包括有机染料、荧光蛋白质、酶标记物和金属配合物，它们有自身无法克服 的缺点，如发射光谱较宽、易光漂白、化学稳定性差等。近年来，随着材料科学的快速发展， 一些新型荧光探针标记物陆续出现，如金属纳米粒子、量子点、镧系参杂无机纳米粒子以及 负载荧光物质的聚合物和二氧化硅微球等，它们克服了早期传统分子探针的一些缺点，并在 生物医学领域展示了它们潜在的应用价值。 分子探针 - 9 - 第一章绪论 自从1 9 9 0 年d e n k 等人发展双光子荧光三维成像技术以来，虽然没有专用的双光子探针 分子，人们仍然利用已有单光子荧光探针分子或内源性的生物大分子荧光发色团的双光子荧 光活性，开展了大量的活体细胞和组织的双光子荧光成像研究工作。双光子荧光高度的三维 空间分辨性( 激发波长3 次方空间内) 和大的穿透深度，使双光子荧光成像技术迅速在生物细 胞和组织的活体三维成像研究方面获得广泛应用。 常用于细胞标记的荧光染料探针主要有吖啶、菲啶类染料，荧光素类、罗丹明类、噻嗪 和嗪类染料、b o d i p y ( b o r o n d i p y r r o m e t h e n e d i f l u