Förster能量转移：开发刺激响应性室温磷光材料新方法 | CellPress对话科学家
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物质科学
Physical science
刺激响应性有机发光材料因其在信息存储、防伪、光电器件等应用中的巨大潜力而备受关注。目前，大多数刺激响应发光材料都是属于荧光类材料，而磷光类材料较为稀少。相对而言，具有刺激响应特性的有机室温磷光(RTP)材料兼具刺激响应荧光材料的功能和室温磷光材料的时间分辨特性，是当前有机发光材料领域的热点，同时也是难点。迄今为止，刺激响应纯有机RTP材料的报道多是停留在理论验证或探索性实验阶段，究其原因，材料制备的复杂性和内在机制的不明确性制约了这类材料实际应用。基于此，要突破现有技术实现新的发展，就迫切需要拓展在理论层面的认知边界，获得新的行之有效的材料构筑策略。
近日，李振教授团队利用主-客体掺杂体系中距离调控的共振能量转移(FRET, Förster Resonance Energy Transfer)过程，开发了具有刺激响应特性的RTP材料。FRET在不同环境下的广泛适应性和主-客体体系的良好磷光性能共同提高了材料体系的实用性。利用该策略制备的材料不仅与现有印刷技术展现出完美的兼容性，而且FRET客体与主体之间的特异性识别也被成功应用于信息加密。该工作首次揭示了FRET过程在宏观RTP刺激响应材料构筑方面的巨大潜力，提出了一种简单、廉价、有效并极具商业潜力的有机室温磷光材料构造策略。相关研究结果以"Förster Resonance Energy Transfer: An Efficient Way to Develop Stimulus-Responsive RoomTemperature Phosphorescence Materials and Their Applications"为题发表在Cell Press旗下的材料旗舰期刊Matter上。
研究亮点：
1. 基于FRET制备了刺激响应性纯有机RTP材料。
2. 首次在通用热敏打印机上同步实现热敏打印和信息加密。
3. 提出了简单高效的RTP材料构造策略。
论文第一作者为天津大学分子聚集态科学研究院2019级博士生王云生，共同作者有吉林大学邹勃教授，共同通讯联系人为青年教师杨杰博士、唐本忠院士和李振教授。
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背景及原理
FRET理论自诞生至今已超过半个多世纪，是光学、材料以及生物检测等领域十分重要的基础理论。Theodor Förster在1970年甚至给出了这一过程完整的量子力学描述。目前，FRET已被证明是单分子、量子点、蛋白质及其衍生物、酶、纳米级器件或纳米材料系统中的有效能量转移途径。研究表明，一旦主-客体位点足够靠近、且取向合适，此体系内就可能产生电子耦合。这种耦合可以促进激发能在溶液中的分子之间、具有发色基团的聚合物中、晶体材料中以及在薄膜之间的界面中传递。但FRET的距离敏感性还从未被应用到具有力和/或热刺激响应性RTP材料设计中。
理论指出，共振能量转移过程发生在近场区域，因此，将客体粒子推进到主体粒子的近场区域的过程中，它们相互靠近，有可能在界面层发生能量转移。那么，如何推动客体粒子进入主体粒子的近场区域呢？最直接的方法应该是研磨和加热。为此，研究人员提出了初步的构筑策略，即备选分子应满足三个主要条件：
1. 主体分子能够提供刚性环境；
2. 客体分子具备较强的系间窜越(ISC)能力，以产生潜在的RTP发射；
3. 主体和客体之间有效的能级匹配，以进行FRET过程。
综合光物理性质、原料成本和操控性等因素，研究人员选择4-二甲氨基吡啶(DMAP)作为主体分子，并依据DMAP的发射光谱选择了2,2-二萘胺(Cdp)和N-苯基-2-萘胺(Cnp)两种分子作为客体分子。
▲图1 力/热刺激激活RTP示意图和FRET理论描述的供体电场空间分布
论文解读
研究人员对材料的力响应和热响应特性进行了验证。
首先，将主体(DMAP)和客体(Cdp)的样品以100：1的质量比混合，未发现明显磷光，然后对其研磨，研磨后的样品在紫外激发后可观察到强烈的RTP发射。在研磨过程中，监测了混合样品(DMAP和Cdp)的PL光谱。发现随着研磨时间的增加，主体发射的强度(334 nm)逐渐降低，相应的荧光寿命从2.09 ns逐渐缩短至1.15 ns。另一方面，客体的荧光(405 nm)逐渐增强(图2D)，显示出典型的FRET过程。根据主体荧光寿命的变化计算得出FRET效率显示，研磨程度增加可提高共振能量转移效率(EFRET)，在研磨120 s后EFRET达到66.86％。研磨样品发射光谱与Cdp在77 K时的磷光光谱一致，表明研磨诱导的RTP发射来自客体Cdp。这些结果表明，实验选择的主-客体样品通过研磨即可快速获得FRET系统，并获得了预期的力响应RTP效果。
▲图2 力刺激响应RTP验证和PL光谱测试
除了研磨之外，加热混合样品也是促进客体进入主体粒子近场中以加速分子相互作用的有效方法。如图3A所示，当DMAP和Cdp样品在25oC混合时，没有观察到明显的RTP发射。随着温度升高，主体发射减弱(334 nm)，客体发射增强(荧光405 nm和磷光500-600 nm)。样品在110 oC加热约10分钟后肉眼可观察到余辉持续4 s以上，对应的FRET效率为54.47%。而RTP效率和寿命可分别达到3.16%和756 ms，展现出良好的热响应RTP效果。
▲图3 热刺激响应RTP验证和PL光谱测试
研磨和加热混合样品都可以激活室温磷光发射，并且RTP激活过程伴随着FRET效率的增加。但是FRET过程对应的是荧光过程，其对磷光过程的影响并不清楚。为了进一步探究其内在联系，研究人员对主-客体FRET过程进行了“延时拍摄”。
研究人员将DMAP和Cdp样品交替堆叠在透明石英管中，以形成竹节状结构。如图2F所示，竹节处为Cdp，其余部分是主体DMAP。随着放置时间的延长，RTP层出现并逐渐扩散至两端，约28天后，主体和客体之间的所有接触区域都具备RTP特性。表明静置过程中分子运动和扩散导致主体和客体之间的距离减小，从而促进了FRET过程以及RTP发射。由于系统中的FRET过程可以发生在主体和客体之间的界面中，并且不需要复杂的晶体工程，因此将大大提高其实用性。
此外，FRET过程也可以被“加速”。如图3E所示，将Cdp晶体轻放于DMAP的表面，然后对其加热。同时，通过显微镜监测叠层晶体的发光情况。加热前，在紫外激发下，叠层晶体仅发射短寿命荧光。80oC加热8 s后，可以观察到Cdp和DMAP之间重叠界面被激活的RTP，相应的裸眼观测到余辉可持续几秒钟。在加热过程中，测试了叠层晶体的原位PL光谱。如图3E所示，基于Cdp的PL发射，包括荧光(405 nm)和磷光(500-600 nm)，都随着加热时间的增加而增强。相应的RTP寿命达到766 ms。该实验表明加热可以增强主-客体之间相互作用，进而增强FRET过程以及界面间有效的RTP发射。
对主客体分子及其共晶体系的晶体和计算进一步表明了设计策略的有效性。
单晶分析发现，DMAP分子平面性好，且分子间存在有效的氢键相互作用，这都有利于提供刚性的主体环境。通过原子力显微镜(AFM)测试晶体表面形貌，发现DMAP晶体表面存在大量深度约1.3 nm的沟道结构，这些分布均匀的沟道极大地增加了主体晶体的比表面积，有利于客体分子在外界刺激作用下同主体分子发生相互作用。这些条件保证了所述主体和客体分子在合适的距离范围内发生FRET过程，进而展现出刺激响应RTP。此外，基于单晶结构进行的理论计算表明，独立的客体分子Cdp虽然存在较强的系间窜跃(ISC)能力但无辐射运动较强并不能产生RTP。而在DMAP和Cdp的耦合结构中，分子环境较为刚性，且分子间n-π*相互作用较强，有利于实现系间窜越，最终促使Cdp分子产生较强的RTP发射。
▲图4 DMAP和Cdp的分子堆积及表面形貌
▲图5 DMAP-Cdp共晶在高压下的光谱变化
高压原位光谱试验进一步展示了FRET距离敏感性对RTP发光行为的影响。
FRET过程与主-客体间距离的六次方(r6)成反比，其效率对距离十分敏感。DMAP-Cdp共晶在压力从0.05 GPa增加到0.25 GPa时，荧光和磷光强度都急剧增加(图5)。高压诱导分子形成了更紧密的堆积，其中DMAP和Cdp之间的n-π*电子相互作用也得到加强，从而增强了RTP的发射强度。当外部压力从0.25 GPa进一步增加到10 GPa时，由于在接触区域中分子间排斥作用加剧阻止分子靠近，发射强度增加不明显。但是，当压力达到12.3 GPa时，发光强度降低。这是因为：一方面，过大的压力对晶体结构造成了严重破坏，不利于能量转移；另一方面，D-A距离太短，主体和客体之间可能会形成络合物导致发光猝灭。
▲图6 刺激响应RTP材料的应用
通过独特的加热/力响应RTP特性，成功实现了热敏打印和信息加密。
如图6A所示，热敏纸并将分为三层：DMAP层(A)，Cdp层(B)和透明封装膜(C)。当热敏纸经过打印头时，客体在热和压力的共同作用下穿透A并接近主体，刺激区域被激活，并展现出RTP特性。如图6A所示，在停止激发后可以通过手机识别其中的加密信息“ID：IMAS 30 Pro 2019-10-06”。
同样基于热/力响应的RTP效果，制备了热压敏复写纸。这些复写纸可以轻松实现多达4层的热压敏复写。此外，基于主体-客体对的FRET特异性，可对信息进行多级加密。DMAP为颜料来打印相关信息时，这些打印图案和/或字符肉眼不可见，因为它的发射是在UV区域内(334 nm)，不在人眼的敏感波长范围内。但是，当喷洒含有Cdp分子的溶液时，图案和/或文字会发出绿色磷光，UV激发后，肉眼可以清楚地识别信息。
小结
以往，主体和客体之间苛刻的要求常被用于分子生物学领域的特异性识别和检测。而FRET的距离敏感性常用于光学“分子尺”、单分子分析以及完整的细胞和整个生物体中，以确定分子的空间邻近性。本工作中，作者巧妙利用FRET过程的距离敏感性构筑了具有刺激响应性的纯有机室温磷光材料，首次展现了其在宏观材料构筑方面的潜力，在一定程度上打破了微观和宏观发光材料世界次元壁。通过对FRET过程的探究性试验，初步揭示了FRET与刺激响应RTP之间的关系。基于其出色的力和热刺激响应RTP效果，该材料体系被成功应用到了同步热敏打印和信息加密中。该工作为纯有机刺激响应性RTP材料开发提主了新的思路，并极大地拓展了这类材料的应用前景。
此研究再次展现了分子在聚集态时有别于单个分子的独特性能（Molecular Uniting Set Identified Characteristic，简称MUSIC），能够奏响分子聚集体的MUSIC。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请了李振教授
进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
Cell Press：
本文中，李教授团队将力响应和热响应室温磷光（RTP）效应并首次应用于同步热印刷和信息加密技术，为制备简单、高效、真正具有商业价值的RTP材料提供了指导。请问您和您的团队在此过程中遇到了什么困难？是如何解决的？并且下一步的研究计划将会是什么？
李振教授：
主要困难集中在材料的光物理表征方面，具体而言，就是如何有效验证我们提出策略的有效性。Förster能量转移过程已被证明是单分子、量子点、蛋白质和酶等体系中的有效能量转移途径，其光物理测试通常在溶液中进行，对应的分析测试手段大多是针对液体环境而开发。我们这里的材料是固体，从光谱重叠和强度相对变化情况可以初步判断材料之间的确发生了能量转移，但是因为无法像液体系统那样进行测试，所以其过程的细节并不清楚，只能看到能量转移后的结果，至于具体属于哪种能量转移并不能明确区分。我们最初也只希望采用新的策略获得RTP性能优异的材料，如果不进行深究，单从材料研究角度而言也可以说这个工作是完整的。这样的话，虽然思路从微观变化到宏观，但是机理研究停留在原地。材料展现出很好的效果，我们当然希望弄清楚背后的细节，所以让学生下去查资料，阅读有关能量转移的专著和早期文献，弄清楚这个理论到底讲了什么，现有的测试方法理论基础在哪里。所以，在对理论有了更为深入的认识之后，结合有机激光材料、DNA识别等领域的研究方法才最终获得了一个较为满意的实验方案，并逐步解开材料性能背后的秘密。
另一方面，当我们充分认识了能量转移过程在材料体系中发生的机制以后，通过一系列的实验结果对比，才意识到FRET过程和RTP过程之间的联系十分复杂，并不单纯依赖分子本身的光物理性质。这两者的关系必须搞清楚，因为只有充分厘清两者的内在联系，才能获得真正行之有效的刺激响应RTP材料设计策略。而这个问题的解答得益于我们组在有机RTP材料方面的长期积累，是一个涉及分子及其聚集态行为的问题，也就是说FRET-RTP策略实际上是单分子和聚集体共同奏响的交响乐(Molecular Uniting Set Identified Characteristic, MUSIC)。
这两个重要问题的探究过程总结起来就是：现象和理论相结合，回归基础找方法，最后通过学科交叉、发散思维、深入分析获得答案。下一步的话，我们希望拓展FRET-RTP策略的适用范围，包括获得更多、更有效的刺激响应有机RTP材料，捕捉更小时间尺度下的光学行为，获得材料更加本征的光物理数据，在有机RTP材料的实用化道路上迈出更为坚实的步伐。
Cell Press：
文中李教授团队利用研磨和加热的方式促进分子之间的共振能量转移以增强分子的室温磷光发射强度，您是如何想到用这些方式促进两种效应的结合？
李振教授：
这个想法是取长补短，广泛学习的结果。有机室温磷光材料有很多优点，如在生物成像方面，其发光寿命长，可以有效避免背景发光干扰。事实上这种优势是相对优势，长寿命发光理论上能够监测生命体中动态的生理过程，但是很难实现单分子层面的成像、监测或诊疗等应用。而FRET则是分子生物学领域非常有力的技术手段，它能够在单分子水平进行识别、成像，甚至代谢监测。一个更为关注聚集体发光，一个专注单分子设计，所以看起来，两个领域的思路是完全不同的，但是又恰好相互弥补了对方的不足。所以一开始，我们是希望相互借鉴，解决有机RTP材料的一些问题。但是随着理解的深入，最后发现FRET的距离敏感特性或许可以被我们利用起来。于是就有了这样的工作，提供了一种全新的思路来设计刺激响应有机RTP材料。
值得小小骄傲一下的是，一般情况下，我们关注化学材料，看到生物领域相关文章可能对生物过程不会深究，虽然早就知道FRET这个工具，但由于其在分子生物领域的强大能力，给人留下的固有印象就是：它是一个解构微观世界的武器，和我们专注的材料领域关系不大，存在微观和宏观的“次元壁”。但是如果发挥想象力，是否有一只手能够打破这种次元壁呢？这只手能将主体和客体相互推进对方的怀抱，这个怀抱就是FRET描述的近场区域，那么它们就能够相互作用。进一步的，既然是构筑宏观材料，我们便不期望让所有分子都能发光，而是希望这种作用发生在主体和客体的界面，这样，只需要一部分分子发光就可能产生意想不到的效果。所以最直接的办法就是给一个作用力(感觉有点像，给我一个杠杆)，当然，没有那么小的手去推，那就大水漫灌，研磨一下，总会有一部分分子进入对方的怀抱，这样不就可能出现发光增强的效果了吗？于是动手验证，最后果然和预期的一样，证明了我们想法的可行性。因此，有了想法就去尝试，也许不小心就实现了呢。
Cell Press：
我们知道荧光和磷光是相互竞争的两个光发射过程，请问共振能量转移机制增强分子发光时，对Cdp分子的荧光和磷光这两个光发射过程分别有何影响？
李振教授：
此前的研究已经非常清楚地揭示FRET过程和荧光之间的关系，但是该过程和RTP之间的关系并不清楚。正如我们工作展示的那样，客体分子得到了主体转移的能量后，最直接的体现就是荧光和磷光都增强了。道理也容易理解，就是客体分子获得的能量多了，相对于主体分子的“净输出”，客体分子则是“净输入”，荧光和磷光都来自客体分子，所以即便荧光和磷光过程相互竞争，也是客体分子内部的竞争，不影响其发光增强。那么是不是所有能够发生FRET过程的材料体系都能实现荧光和磷光双重增强呢？
答案是否定的。通过实验我们发现，客体分子Cdp的磷光增强原因主要有两方面：首先，刺激作用使得Cdp分子和主体DMAP足够近，保证了FRET的发生，同时这一距离也使得DMAP中的孤对电子和Cdp的π结构相互作用，促进了单线态到三线态的系间窜越(S1-Tn)，进而促进磷光产生。其次，DMAP微晶的刚性很强，Cdp分子与之在界面处发生作用后其分子运动受到了抑制，非辐射能耗降低，有利于RTP产生。所以，FRET过程对Cdp分子RTP加强不仅依赖分子本身的光物理性质，也受分子聚集状态的影响。
Cell Press：
请您结合以往研究经验，简述室温磷光材料在刺激响应发光领域的应用前景与主要挑战。
李振教授：
此前，我们组报道了第一光诱导有机RTP和酸驱动晶体运动的刺激响应有机RTP材料，并且也尝试将这些分子应用到生物成像和防伪加密等领域。总体上，具有刺激响应特性的纯有机室温磷光材料能够同时具备刺激响应荧光材料的功能和室温磷光材料的时间分辨特性，是有机发光材料领域的研究热点，同时也是难点。
在为数不多的纯有机刺激响应RTP材料的报道中，其刺激条件大多来自酸/碱(反应)、溶剂(极性诱导)、高压等。当前，刺激响应纯有机RTP材料的报道多是停留在理论验证或探索性实验阶段，材料本身尚不具备良好的实用性。造成这一困难主要来自两方面：一是纯有机材料的RTP发射大多依赖于晶体堆积，限制了其应用场景；另一方面，缺乏有效的材料设计策略。一些非晶态聚合物分子，虽然能够实现室温RTP发射，但发光较弱，没有刺激响应特性。另一些纯有机RTP材料，虽然具有刺激响应特性，但是其刺激响应特性依赖晶体结构，包括此前我们组的报道也是这样。
从纯有机室温磷光材料开发技术来看，我们亟需简化其制备过程，同时保证足够优秀的RTP性能，才能从根本上解决该类材料在实际应用过程中的问题。而要突破现有技术实现新的发展，就迫切需要拓展在理论层面的认知边界，获得新的行之有效的材料构筑策略。
Cell Press：
请李教授对年轻科研工作者开展研究工作，给出几点您的建议和指导。
李振教授：
谈不上什么建议和指导，顶多就是分享一点体会吧！我觉得作为一个科研工作者，我们首先要守住自己的初心，保持对未知事物的好奇，这一点非常重要。好奇心是动力问题，是长期保持科研活力的源动力，其次是具体的工作。具体的idea一般来自我们平时的积累，这种积累本身往往是不带目的，悄无声息，潜移默化，最后自然形成。随着各学科的深入发展，以及学科间交叉融合，对个人来讲其实知识积累任务非常繁重，我们不仅要将眼光放在自己熟悉的小领域中，还有将视野拓展到其它领域，甚至是毫不相干的一些领域。这样我们可以不断变换我们审视自己从事领域的视角，得到不一样的体会跟启发。化学材料领域也一样，结合其它领域的发展动态，提出问题，解决问题，并且最终给后继者多少有点启发，那么这样的工作才是值得的，也能够满足科研从业者的好奇心。另外，善于与他人合作很重要，我们不可能凭一己之力解决自己工作中面临的所有问题，只有寻求团队的力量，进行跨学科甚至跨领域的合作才能提高效率，更好解决问题。总之，需要培养自己积极健康的上进心、百折不饶的韧性、不骄不躁的平常心、时不待我的紧迫感和共同进步的团队精神。
通讯作者介绍
杨杰
博士
杨杰博士，分别于2013年和2018年在武汉大学获得学士和博士学位，导师李振教授。2018年进入天津大学分子聚集态科学研究院工作。从事有机光电功能材料的研究工作，主要研究兴趣包括：聚集诱导发光；力致发光；室温磷光。以第一作者或通讯联系人在Matter、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等国际期刊发表论文近20篇，其中4篇论文入选ESI高被引论文，一篇入选ESI热点论文。
李振
教授
李振教授，国家杰出青年基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才计划入选者、万人计划科技创新领军人才，英国皇家化学学会会士。发表SCI论文200余篇，被他人引用13000余次，h指数为67。担任《有机化学》、《化学学报》、《ACS Omega》、《Polymer Bulletin》、《Chinese Journal of Polymer Science》、《中国科学-化学》、《Materials Chemistry Frontiers》编委。曾获国家自然科学一等奖（2017，第四完成人）、宝钢优秀教师特等奖提名奖、霍英东教育基金会青年教师奖、湖北省自然科学一等奖（2008，第三完成人）、中国化学会青年化学奖等。
唐本忠
院士
唐本忠院士主要从事高分子化学和光电功能材料研究，在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）这一化学和材料前沿领域取得了原创性和引领性的研究成果。作为AIE概念的提出者和研究的引领者，唐本忠院士累计发表学术论文约1000篇，引用50000余次，H-指数为112，并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家。唐本忠教授先后获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017）、何梁何利科学与技术进步奖（2017）、第27届夸瑞兹密国际科学奖（2014）、美国化学会高分子学术报告奖（2012）、国家自然科学二等奖（2007，第四完成人）、裘槎高级研究成就奖（2007）、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖（2007）和爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖（2007）等。现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室学术委员会主任，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编。
相关论文信息
原文刊载于CellPress细胞出版社期刊Matter上，
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▌论文标题：
Förster Resonance Energy Transfer: An Efficient Way to Develop Stimulus-Responsive Room-Temperature Phosphorescence Materials and Their Applications
▌论文网址：
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30238-1
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.05.005
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