高效近红外发光铱配合物的设计制备及其在夜视显示和生物成像中的应用

Near-infrared-emitting organic materials and devices have great for their wide applications in information-secured displays, night-vision dispays, optical communication, chemosensing, bio-imaging and medical therapy, etc. For NIR-emitting organic light-emitting devices (OLEDs),Pt-metalloporphyrin complexes have the record maximum external quantum efficiency (EQE), although such devices generally suffer from severe efficiency roll-off with increasing current density. We have proposed iridium complexes as a competent alternative for NIR dyes because of their high quantum efficiency, small device efficiency roll-off, and low cytotoxicities. This project will focus on design and synthesis of highly efficient NIR-emitting iridium complexes for NIR-OLEDs and bio-imaging. First, with the aid of quantum chemical calculations, a series of high efficient NIR-emitting iridium complexes are designed and synthesized with new ligands derived from 1-phenylquinoline, 1-phenylisoquinoline. The emission wavelength can cover a wide range of 700-1000 nm through a phenyl ring fused, or the nitrogen atom inserted in the aromatics, etc. Second, high-efficiency NIR-OLEDs will be fabricated based on the selected neutral iridium complexes with high quantum efficiency and stability. The third is to select the cationic NIR-emitting iridium complexes with high quantum efficiency and low cytotoxicities, then systematically study their performances as NIR phosphorescent dyes in bio-imaging. The end is to get further understanding on the rational design of highly-efficient iridium complexes for NIR dyes.

近红外有机发光材料和器件在信息安全、夜视显示、光学通讯、生物成像、医学诊断等领域具有广阔的应用前景。目前基于铂卟啉配合物的近红外OLED器件具有最高效率，但器件存在严重的效率滚降问题，无法满足实用要求。基于前期良好的基础，我们提出具有量子产率高、器件效率稳定、细胞毒性低的铱配合物在近红外区有更大发展潜力。本项目拟以苯基喹啉、苯基异喹啉及其衍生物为配体母体，借助量子化学理论计算辅助，通过并苯、成环或者引入氮杂原子，设计合成系列高效率的近红外发光铱配合物，发光波长覆盖700-1000nm；优选高效、稳定的近红外发光中性铱配合物，通过主客体的合理搭配和器件结构优化，制备出高效稳定的近红外发光器件；优选高效、低毒的近红外发光离子型铱配合物，系统研究铱配合物作为一种新型近红外发光染料在细胞成像、生物标记方面的应用；最后探讨提出铱配合物高效近红外发光材料的设计策略。

近红外有机发光材料和器件在信息安全、夜视显示、光学通讯、生物成像、医学诊断等领域具有广阔的应用前景。该项目通过四年的研究，在高效近红外发光铱配合物的设计、制备、性质研究以及其在夜视显示用近红外发光器件和活细胞成像方面取得了一系列创新性研究成果。已完成并部分超额完成了原定计划的研究内容，达到了预期的研究目标。主要成果有：.1）发展了系列具有自主知识产权的高效率近红外发光铱配合物，在700- 900 nm 波段实现了兼具高效率、低滚降、低成本的NIR-OLEDs。其中基于苯并酞嗪配体的均配型面式铱配合物，贵金属铱的含量比常规磷光染料降低了约2/3，大幅降低了材料成本，实现了“贵金属材料不贵”的目标，获得了发光波长765 nm、EQE 4.5%的高效、稳定、无效率滚降的NIR-OLEDs，具有很高的应用价值。.2）设计并制备了一系列双亲性好、细胞毒性低的深红/近红外发光离子型铱配合物作为磷光探针用于活细胞成像。提出并实现了以寿命型探针获得活细胞中蛋白质动态成像的新思路，设计并合成了一种炔基化修饰的铱配合物作为近红外生物正交探针，实现了单细胞中新生成蛋白的免洗成像和动态监测。采用铱配合物磷光寿命探针实现了活细胞中人源羧酸脂酶2的发光寿命成像和活细胞中黏度的动态监测。由于该类探针具有数百纳秒的长寿命且寿命对结构和微环境敏感，将有望应用于活体细胞内诸多重要生理过程的动态成像检测。.3）设计并合成了具有大HOMO-LUMO 重叠的非典型给-受体结构的高效率纯有机近红外染料，通过主体的三线态融合敏化和热活化敏化近红外发光机制，将纯荧光OLEDs 的激子利用率从25%大幅提升至40%和50%，被同行认为是代表性纯有机近红外染料及近红外荧光器件。. 已发表标注的SCI收录论文8篇，影响因子均大于3，包括Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Chem. Sci. 2篇，Adv. Funct. Mater. 1篇，Chem. Mater. 1篇，Chem. Commun. 1篇等。新申请中国发明专利5项，申请PCT国际专利1项，授权中国发明专利3项，国内外会议邀请报告5人次。培养毕业博士生1名，毕业硕士生1名。