摘要：九州大学的研究人员开发出一种新型有机分子，它同时展现出两种备受追捧的特性：适用于先进显示器的高效发光和用于深层组织生物成像的强光吸收。这一突破解决了分子设计中长期存在的难题，为下一代多功能材料铺平了道路。该研究 由国立台北科技大学和国立中央大学合作完成，并于2

九州大学的研究人员开发出一种新型有机分子，它同时展现出两种备受追捧的特性：适用于先进显示器的高效发光和用于深层组织生物成像的强光吸收。这一突破解决了分子设计中长期存在的难题，为下一代多功能材料铺平了道路。该研究 由国立台北科技大学和国立中央大学合作完成，并于2025年7月29日在线发表在《先进材料》杂志上。

有机发光二极管 (OLED) 是现代显示和照明技术的前沿，几乎为从智能手机屏幕到大型电视和显示器等各种设备提供电源。目前正积极研究提高 OLED 效率的关键现象是热激活延迟荧光 (TADF)。这一过程发生在吸收能量后，被捕获在非发光状态（三线态）中的能量，利用周围环境的热量转变为发光状态（单线态）。简而言之，具有 TADF 的材料可以有效地利用通常会损失的能量发光，从而获得更明亮、更节能的设备。

除了显示之外，在最大程度降低损伤的同时捕捉清晰的生物组织图像对于医学诊断和研究至关重要。为此，利用双光子吸收 (2PA) 的技术已被证明是行之有效的。在 2PA 中，分子不是吸收单个高能光子，而是同时吸收来自高强度激光的两个低能光子，从而达到能够发射荧光的激发态。低能光子和长波长的光（例如近红外光）是生物医学成像的理想选择，因为它可以穿透更深的组织而不会发生散射。此外，2PA 还意味着只有激光焦点处的一小部分组织受到激发，从而对活细胞的损伤更小。

尽管TADF和2PA都是有机材料中理想的特性——一个用于高效发光，另一个用于卓越成像——但将两者结合在一个分子中却极具挑战性。这是因为这些机制提出了相互冲突的设计要求。强TADF需要一种扭曲的分子结构，这种结构能够物理地分离电子轨道以促进能量转换。相比之下，2PA通常需要更平坦的结构，并具有显著的轨道重叠，以实现有效的光吸收。

“认识到这两种功能具有互补的优势，但分子要求却相互冲突，我便决定设计一种可以协调两者的材料，最终旨在创造出能够连接电子和生命科学领域的新型多功能材料，”日本九州大学工程研究生院助理教授、该研究的主要作者千岁洋平博士说道。

为了填补这一知识空白，研究团队采用了一种巧妙的分子设计策略。他们创造了一种名为 CzTRZCN 的分子，它可以充当分子开关，根据吸收或发射光来改变其结构和性质。他们的方法是将富电子咔唑 (Cz) 化合物与缺电子的三嗪 (TRZ) 核心结合在一起。研究人员还通过添加氰基 (CN) 基团来微调电子在结构中聚集到轨道的方式，因为氰基对电子有很强的吸引力。

最终结果表明，在光吸收过程中，CzTRZCN 分子之间保持足够的轨道重叠，从而能够同时有效地吸收两个光子。激发后，该分子发生结构变化，将这些成分分离，从而实现 TADF。

通过理论计算和实验验证相结合，该团队证明了其新设计的材料实现了卓越的双重功能。当集成到OLED器件中时，CzTRZCN实现了13.5%的外部量子效率，在三嗪基TADF材料中树立了新的标杆。此外，它还表现出较高的2PA截面（衡量2PA效率的标准）和高亮度，这表明其在医学成像方面具有潜力。

“我们提出的分子是一种不含金属的有机化合物，对细胞毒性低，生物相容性高。这使得它非常适合用于精准癌症和神经系统诊断的医疗探针，尤其是通过时间分辨荧光显微镜进行诊断。”Chitose 强调道。

总体而言，这项研究代表着朝着开发连接光电子学和生物成像领域的多功能有机材料迈出了重要的一步。除了医疗用途外，提出的用于实现不同吸收和发射轨道特性的分子设计策略还可广泛应用于其他多功能材料。

“展望未来，我们的目标是扩展这种分子设计方法，以覆盖更广泛的发射波长范围。我们还计划与生物医学和设备工程领域的研究人员合作，探索这些材料在体内成像、可穿戴传感器和OLED等实际应用中的应用。”Chitose总结道。

来源：小向科技每日一讲