近日，我院高原交汇区水资源安全与水环境保护教育部重点实验室卢小泉教授、祝振童副教授团队在分子工程调控发光研究方向取得重要进展。相关研究成果以“Precise Modulation of Intramolecular Aggregation-induced Electrochemiluminescence by Tetraphenylethylene-based Supramolecular Architectures”为题发表在化学领域国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）上，并被选为VIP论文。
鉴于单分散四苯乙烯(tetraphenylethylene, TPE)单体的发光信号较低，该研究工作设计并合成了四种基于TPE基元的超分子结构，将其作为新型电化学发光(electrochemiluminescence, ECL)发射体，并在此提出了一种精准调控的分子内聚集诱导电化学发光(precisely modulated intramolecular aggregation–induced electrochemiluminescence, PI-AIECL)策略。不同于传统的ECL增强策略，该工作通过精准构建可控、有限的基元堆叠方式来调节苯环的自由旋转，进而实现在分子尺度上增强TPE的激发效率的目的。
该研究工作中，作者合成了一系列具有精准堆积结构和可控基元数目的TPE超分子组装体，并通过电化学带隙和密度泛函理论(DFT)计算来深入探究其结构-性能关系。其中，SD组装体显示出最高的ECL阴极效率，其电化学发光效率超过TPE单体40余倍（水相）。为进一步解释发光体的结构-性质关系，一方面，作者进行了有机溶剂中的电化学测试，实验结果显示SD具有最低的电化学带隙；另一方面DFT计算表明，SD结构的客体配体(LD)的HOMO-LUMO带隙最小，与主配体(HS)的带隙更匹配，从而利于主客体间能量传递。
针对这种基于TPE的超分子结构表现出高效的电化学发光性能的情况，作者提出了三个可能的原因：(1)超分子结构内部的刚性骨架限制了TPE基元中苯环的自由旋转，有效降低了非辐射跃迁导致的能量损失；(2)共轭的供体-受体结构中的分子内电荷转移效应(ICT)延长了激发态的寿命；(3)超分子中的配位金属Zn2+离子与电极表面之间的静电相互作用有利于提高阴极扫描条件下电极表面发光体的稳定性。
此外，为了进一步放大ECL信号及增强传感器的灵敏度，该工作也探究了MnO2纳米花作为共反应促进剂的作用。作为概念验证，本工作实现了对半胱氨酸(cysteine, Cys)的超灵敏检测(LOD = 14.4 nM)。因此，本研究不仅提供了一种精确调制的超分子策略，实现了在分子尺度上对发色团进行可控调节的目的，而且为高性能发光体的可编程合成这一难题提出了潜在的解决策略。
该工作在卢小泉教授，祝振童副教授，吉林大学王明教授共同指导下完成，理论计算由姚小强副教授完成，祝振童副教授和硕士研究生曾潮琴为共同一作，西北师范大学为第一通讯单位。该工作得到国家自然科学基金（22127803, 22004102, 22271116, 22071079, 22174110）、甘肃省杰出青年基金（21JR7RA157）、甘肃省重点研发计划（23YFGA0082）、吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室开放课题基金（sklssm2022039）、西北师范大学青年教师科研能力提升计划（骨干）（NWNU-LKQN2020-03）的支持。
原文连接网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202312692
