高量子产率吡啶鎓发光体KL1421的结构、光学特性及化学稳定性研究：面向气体传感与功能涂层的应用探索

研究人员针对有机发光材料在固态传感应用中的局限性，通过量子化学计算(B3LYP/cc-pVTZ)和实验表征(1H NMR/XRD/FT-IR/PL)，系统研究了新型吡啶鎓发光体KL1421与H2O/NH3/AcOH的相互作用机制。发现该材料具有80%的高量子产率(QY)，在酸性环境中因与CH3SO3-形成氢键导致相变和QY下降至35%，为开发耐湿性光学传感器和功能涂层提供了新思路。

　　

在光电材料领域，固态有机发光体长期面临"聚集导致淬灭"(ACQ)的难题——这类材料在溶液中发光效率很高，但在固态薄膜或晶体中却会丧失发光能力。这一瓶颈严重制约了其在传感器、显示器件等实际应用中的发展。近年来，科学家发现含有π⁺杂芳香体系（如吡啶鎓Py⁺）的阳离子型发光材料展现出独特的"聚集诱导发光"(AIE)特性，其发光效率与分子间π⁺-π⁺相互作用强度直接相关，这为开发高性能固态发光材料开辟了新途径。

拉脱维亚大学精确科学与技术学院（University of Latvia, Faculty of Exact Sciences and Technologies）的研究团队聚焦新型吡啶鎓发光体KL1421，该材料由Leduskrasts等人设计，具有80%的惊人量子产率。研究人员通过理论计算与实验相结合的方式，系统探索了其在挥发性分子检测和环境稳定性方面的应用潜力。相关成果发表在《Applied Materials Today》上，为开发耐候性光学传感器和功能涂层提供了重要参考。

研究采用B3LYP/cc-pVTZ方法进行量子化学计算，预测KL1421与H₂O/NH₃/AcOH的相互作用机制；通过¹H NMR、XRD和FTIR表征结构变化；利用漫反射光谱和稳态/瞬态荧光光谱（配备积分球的FS5光谱仪）分析光学特性；采用325 nm UV LED激发光源评估气体传感性能。

理论计算

通过ONIOM方法优化KL1421与客体分子的最稳定构型，发现H₂O/NH₃吸附使HOMO-LUMO能隙分别增大0.117 eV和0.147 eV，而AcOH导致最大能隙增幅（0.217 eV）。TD-DFT计算预测吸附后吸收光谱蓝移，其中NH₃复合物的最低能级跃迁从504.29 nm移至454.85 nm。

结构特性

XRD显示原始KL1421在2θ=6.78°/13.62°/20.52°处呈现三斜晶系衍射峰。暴露于AcOH后出现7.8°/15.83°新峰，表明相变发生。¹H NMR在AcOH处理样品中检测到1.99 ppm的甲基峰，FTIR观察到1719 cm^-1的C=O伸缩振动和1118 cm^-1的S=O振动变化，证实CH₃SO₃^-与AcOH形成氢键网络。

光学性能

漫反射光谱显示AcOH处理导致吸收边红移，带隙从2.85 eV降至2.66 eV。PL光谱解卷积显示466/499/544/605 nm四个发射峰。QY测试表明材料在H₂O/NH₃环境中保持77-78%的QY，而AcOH使QY骤降至35%。荧光寿命从157 ns（原始样品）缩短至86 ns（AcOH处理）。

气体传感

动力学测试显示KL1421对NH₃和AcOH的响应不可逆，信号噪声比仅3%。AcOH暴露导致PL强度降低60%且发射峰红移18 nm，而H₂O几乎不影响PL特性。研究人员提出结合漫反射和PL的双模式检测策略，可有效区分不同化学环境。

该研究首次揭示了吡啶鎓发光体与挥发性分子的构效关系：弱极性分子（H₂O/NH₃）通过瞬态氢键轻微影响能级结构，而强氢键给体（AcOH）会与mesylate离子形成稳定复合物，改变晶体堆积方式和电荷转移路径。尽管当前KL1421对目标分子的灵敏度有限，但其卓越的QY和信号稳定性为开发耐湿性光学标记材料奠定了基础。未来通过分子结构修饰（如调控π⁺-π⁺相互作用）和拓展挥发性酸检测范围（HCl/TFA等），这类材料有望成为金属氧化物光学传感器的替代方案。研究同时指出，现有理论模型在预测晶体堆积效应方面存在局限，改进计算方法将是后续工作重点。