综述:针对可见光/近红外光引发的二芳基乙烯光异构化的综合方法

《Dyes and Pigments》:Cocktail approaches toward visible/NIR-light-trigger photoisomerization of diarylethenes

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年04月04日 来源:Dyes and Pigments 4.2

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  二 diarylethenes(DAEs)作为光致异构化材料,传统依赖紫外光,通过“鸡尾酒策略”结合功能添加剂实现可见/近红外光响应。主要方法包括:1)稀土掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)将NIR光转化为UV/可见光;2)三重态敏化通过能量转移使吸收红移至可见区。讨论了技术挑战与应用前景。

  
Kangjun Lan|Xiaofei Tian|Hongling Li|Jionghao Wang|Xiaoguang Hu|Baoxiang Gao|Qi Ai
中国浙江工业大学光电子技术学院,杭州,310018,中国

摘要

二芳基乙烯(DAEs)由于其卓越的热稳定性和抗疲劳性,成为光电子器件、信息存储和生物成像领域极具前景的光致变色材料。然而,传统的DAEs通常需要紫外线(UV)来触发环化过程,这严重限制了它们的实际应用。为了解决这个问题,人们开发了几种策略来实现DAEs在可见光/近红外(NIR)光下的异构化。其中,基于DAEs与非共价添加剂混合的“混合策略”成为最便捷的方法。鉴于这一领域的日益关注和快速进展,本文系统地回顾了最近在可见光/NIR光触发光致变色方面的进展,主要从两个方面进行讨论:(1)基于掺镧上转换纳米粒子的系统,这些系统可以将近红外光转换为紫外光/可见光;(2)基于三重态敏化的系统,这些系统通过高效的三重态-三重态能量转移来红移吸收光谱。此外,本文还讨论了阻碍进一步发展的关键挑战,并指出了这一新兴领域中的有希望的机会,旨在为未来的研究提供有价值的见解。

引言

光致变色材料在光照下会发生可逆的结构变化,从而引起光学性质的变化,它们已成为光电子器件、信息存储、光响应材料和生物成像中的分子开关[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。在各种光致变色材料中,二芳基乙烯(DAEs)因其出色的热稳定性、高抗疲劳性和优异的光致变色量子产率[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]而成为最具应用前景的候选材料之一。DAEs通常以两种可相互转化的异构形式存在:无色的开环异构体(DAE(o))和有色的闭环异构体(DAE(c)),它们之间的光异构化是由于中心六三烯部分的环加成反应引起的[[15,16]]。然而,传统的DAEs主要依赖紫外线(UV)光来触发环化,因为DAE(o)的吸收带通常位于UV区域(200–400 nm)[[17,18]]。这一固有的限制严重阻碍了它们在不需要短波长和高能量UV光的场景中的应用,因此迫切需要研究在可见光/NIR光下驱动DAEs的光异构化。
向可见光/NIR光触发方式的转变不仅是一种技术上的改进,也是扩展DAEs应用的关键。在光电子学中,可见光/NIR光可以避免高能量UV光对器件组件的光降解,从而延长器件的使用寿命[[19]]。在生物学背景下,可见光/NIR光对细胞和组织的光毒性最小,并且能够更深入地穿透生物基质,解决了UV光在细胞内成像、光药理学和精密生物传感应用中的限制[[20]]。例如,通过交替使用475 nm和560 nm的可见光照射DAE衍生物,可以在HeLa细胞中实现60 nm的超高分辨率结构,而无需使用有毒的还原剂,这对于实时监测活细胞中的生理过程至关重要。对于信息存储和防伪技术而言,可见光源比UV光源更易获取、成本更低且更安全,有利于大规模的实际应用[[21]]。因此,实现高效、稳定且多功能的可见光/NIR光驱动的DAEs光异构化已成为光致变色材料研究的主要目标。
为了克服DAEs对UV光的依赖性,研究人员开发了多种策略,每种策略都有其独特的机制和权衡[[22]]。一种主要方法是内在分子设计,通过修改DAE的骨架来红移其吸收峰。这通常是通过延长π共轭系统或引入电子给体/受体(D-A)取代基来降低π→π?跃迁的能量间隙来实现的[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。这种策略可以直接产生对可见光响应的DAEs,而无需外部添加剂。然而,这种方法合成过程繁琐,过度的共轭或取代往往会削弱中心六三烯部分对激发态的贡献,从而抑制光致变色活性。此外,结构修改可能会影响DAEs的其他关键性质,如热稳定性或抗疲劳性,导致性能不可预测和开发成本增加。另一种广泛研究的策略是通过共价键合金属络合物(例如Ru、Os、Ir络合物)来增强光敏性[[31], [32], [33], [34], [35], [36]]。这些金属络合物具有强可见光吸收和高效的三重态-三重态能量转移(ISC),从而诱导DAE(o)发生环化。然而,这类络合物往往价格昂贵且难以合成,与有机基质的兼容性较差,限制了其在器件中的集成。第三种策略是多光子激发,通过非线性光学过程(多光子吸收)将近红外(NIR)光转换为紫外光[[37]]。这种方法具有更深的组织穿透能力(适用于NIR光),但效率较低,因为多光子激发需要高功率激光。
在这种背景下,混合策略(即非共价、模块化的组合)应运而生,其中DAEs与功能性添加剂物理混合,将可见光/NIR光转化为活性激发路径,而不改变DAE的分子骨架。混合策略的主要优势在于它们能够将“可见光响应性”与“DAEs的固有性质”分离。研究人员可以选择适当的添加剂来实现可见光驱动的光异构化,从而无需对DAE骨架进行复杂和耗时的合成修改。此外,通过简单改变添加剂的类型或比例,可以针对特定应用调整激发波长、响应速度和环境适应性。鉴于基于混合策略的DAEs光异构化研究的日益关注和快速进展,本文旨在全面概述这一新兴领域。我们将现有的混合策略分为两大类,根据可见光触发光异构化的机制进行分类(图1):(1)基于上转换纳米粒子(UCNPs)的混合系统,这些系统使用掺镧的UCNPs作为NIR到UV/可见光的纳米转换器来触发DAEs的光异构化;(2)基于三重态敏化的混合系统,这些系统利用有机三重态敏化剂促进可见光激发下的三重态-三重态能量转移(TTET)。此外,本文还将讨论该领域未来的主要挑战和预期机遇。
根据上述分类,图2示意性地比较了两种主要混合策略的机制,这两种策略都能实现DAEs在可见光/NIR光下的光环化。基于UCNPs的系统通过上转换过程将NIR光转换为紫外光;而基于三重态敏化的系统则利用三重态敏化剂促进能量转移,使吸收边缘向可见光区域红移,从而实现可见光驱动的光异构化。

部分摘录

基于UCNPs的混合系统

六方相NaYF4是最常用的掺镧UCNPs的载体[[38]];其低声子能量有利于高效的上转换。常用的激活剂是Er3+和Tm3+,敏化剂是Yb3+。由于Yb3+的吸收截面较大,其2F7/2 → 2F5/2跃迁与Er3+和Tm3+的许多f-f跃迁相匹配,从而实现高效的能量转移;因此,使用连续波(CW)980 nm激光(与Yb3+的跃迁相匹配)作为

结论与展望

在过去二十年里,混合策略作为一种变革性和高效的方法,克服了DAEs对UV光的依赖性,从根本上改变了我们在基于DAEs的光致变色系统中实现可见光/NIR光响应性的方式。本文系统地总结了在可见光/NIR光驱动DAEs光异构化方面的最新进展和成就,主要分为两大类:掺镧的上转换纳米粒子

CRediT作者贡献声明

Kangjun Lan:撰写——原始草稿,研究。Xiaofei Tian:撰写——原始草稿,研究。Hongling Li:研究。Jionghao Wang:研究。Xiaoguang Hu:撰写——审稿与编辑,监督,项目管理。Baoxiang Gao:撰写——审稿与编辑,监督,项目管理。Qi Ai:撰写——审稿与编辑,撰写——原始草稿,监督,项目管理,资金获取,概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(编号52103241)的支持。
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