内容提要
本文系统地介绍了实验室在TTA-UC方面取得的突破。我们成功合成了一种掺杂B、N的近红外吸收光敏剂，该光敏剂具有热激活延迟荧光特性，可防止系统间交叉过程中的能量损失。我们构建了反斯托克斯位移高达 1.03 eV（近红外到蓝光）的 TTA-UC。此外，我们还发现了一种新型配体——噻吩取代二酮吡咯咯（Th-DPP），并精确调节了其在硫化铅量子点（PbS QDs）表面的构象。尽管 Th-DPP 的 T1 能级仅比 PbS QDs 的带隙低 0.05 eV，但仍观察到高达 90% 的三重激子转移效率。软核壳纳米结构是制备小型、均匀和高效水分散 TTA-UC NPs 的通用策略。我们采用了一种涉及 TTA-UC 和蛋白质的多级组装工艺来制造生物兼容的光子上转换超分子组装体。通过使用湮灭剂作为连接剂，合成了基于多孔芳香框架（PAF）的 TTA-UC 材料。除了抑制骨架振动引起的三重激子能量损失外，湮没器单元中存在的甲基立体阻碍还能使湮没器保持一致的 T1 能级，从而显著提高基于 PAF 的 TTA-UC 材料的性能。我们利用光子上转换超分子组装体作为纳米探针，实现了对前列腺肿瘤标志物（肌氨酸）的快速、高灵敏的背景分析。通过使用基于 PAF 的 TTA-UC 材料作为氧敏感单元，我们展示了大范围的氧传感。我们还证明了多孔 TTA-UC 材料作为异相光催化剂的功效，从而以催化剂回收的方式高效转化了多种光氧化反应。我们还根据自身经验分析了当前面临的挑战，并提出了潜在的解决方案。我们还提出了 TTA-UC 在不久的将来可能的发展趋势及其潜在应用场景。
光敏剂和湮灭剂
作为核心功能单元的光敏剂直接决定了 TTA-UC 的关键性能参数，包括激发波长、低能量光子收集和上转换量子产率。具有热激活延迟荧光（TADF）特性的有机小分子具有很高的三重量子产率，因此适合用于 TTA-UC 中。然而，大多数具有 TADF 特性的小分子都是供体-受体（D-A）结构，因此吸收集中在可见光区域。我的实验室与合作伙伴合作，成功制备了第一种掺 B、N 的近红外吸收光敏剂 (BNS)，其中的 TADF 材料表现出多重共振效应。通过延长 π 共轭平面，该 BNS 的吸收波长被移至近红外光谱。BNS 的 ISC 速率（kISC）为 2.2 × 107 s-1，但反向 ISC 速率（krISC）仅为 8.1 × 103 s-1。低 krISC 会抑制其三重量子产率的降低。此外，BNS 的 ΔEST 值仅为 0.14 eV，这有效地排除了 ISC 过程中的能量损失。由于 BNS 中没有重金属原子，因此可以防止重金属原子引起的从 T1 到 S0 的非辐射跃迁，从而使 BNS 显示出长寿命的延迟荧光（115 μs）。我们根据 BNS 的 T1 能级，利用与 T1 能级相匹配的蓝色发光湮灭剂，如过氧乙烷和 9,10-双（苯乙酰基）蒽（TIPS-BEA），构建了一个近红外-蓝光 TTA-UC。这种 TTA-UC 的上转换效率为 2.9%（上限为 50%），反斯托克斯位移高达 1.03 eV。值得注意的是，由于 BNS 的 T1 寿命较长，在过烯（50 μM）和 TIPS-BEA （50 μM）浓度特别低时，上转换强度达到饱和。低浓度的湮灭剂抑制了湮灭剂对上转换发射的自淬效应。
我们首创了基于硫化铅量子点（PbS QDs）与有机配体杂化的新型光敏剂，目的是将 TTA-UC 的可激发波长扩展到近红外-II 区（1000 nm以上）。我们采用噻吩取代二酮吡咯咯（Th-DPP）作为新配体，精确调节其在 PbS QDs 表面的构象。噻吩中的硫原子有效地缩小了 PbS QDs 与 Th-DPP 之间的距离，从而与 PbS QDs 表面的 Pb2+ 形成微弱的相互作用。我们研究了 PbS QD 尺寸对 Th-DPP 构象的影响。随着 PbS QDs 的尺寸从 2.73 nm增加到 3.36 nm，其表面配体密度逐渐降低。这使得 Th-DPP 能够在 PbS QD 表面适应性地调节其构象，以应对配体密度的降低。这反过来又通过增加 Th-DPP 与 PbS QD 之间的电子耦合提高了三重激子转移的效率。由于强大的界面耦合效应，PbS QDs 和 Th-DPP 之间的电子波函数重叠显著增强。在 Th-DPP 的 T1 能级仅比 PbS QD 的带隙低 0.05 eV 的限制条件下，三重激子转移效率可达 90%。通过优化激子动力学和精确调节界面能隙，这种光敏剂能够表现出接近理论极限的反斯托克斯偏移。
湮灭剂的光物理特性也与 TTA-UC 的性能密切相关。我们测试了苯基取代二酮吡咯并吡咯（Phen-DPP）基湮灭剂的 T1 能级是否满足能量要求。卓越的光稳定性 Phen-DPPs 的 T1 能级介于 1.3 和 1.4 eV 之间，因此成为近红外 TTAUC 中湮灭剂平台的首选。杂环取代的 DPPs 与苯基取代的 DPPs 相比，显示出较低的单线（S1）和三线（T1）能级，这两种类型都满足湮灭剂的基本能量要求（2 × T1 > S1）、杂环取代物（噻吩、呋喃等）对活性氧 (ROS) 的敏感性更高，导致光稳定性更差。相比之下，苯基取代的 DPPs 对 ROS 介导的降解具有更强的抵抗力。此外，我们还合成了一种不对称炔基取代的蒽衍生物（SiAn）作为湮灭剂。理论化学计算和实验确定 SiAn 的 T1 能级为 1.29 eV。根据SiAn的T1能级，我们选择了具有相似T1能级的PtTNP作为光敏剂，以构建近红外到蓝光的TTA-UC。PtTNP和SiAn的T1能级的窄带隙特性有利于可逆的分子间TET。窄带隙特性还扩展了TTA-UC的反斯托克斯位移，并抑制了分子内Dexter能量转移过程中激发态能量的损失。
TTA-UC 材料
我们提出了一种软核壳纳米结构设计策略，用于制备粒径超小、均匀、耐氧、表面修饰简单的 TTA-UC NPs。苯乙烯和油胺单元构成了两亲聚合物（PSMAPEG-OAm）的疏水分子，而 PEG 单元则构成了亲水分子。PSMA-PEG-OAm 的亲水性和疏水性可有效调节，从而改善核心（纳米微滴）与 PSMA-PEG-OAm 的相容性，提高 TTA-UC NPs 在水溶液中的分散性和稳定性。纳米油滴的功能是防止分子堆叠，有利于保存光敏作用产生的单线态氧，形成缺氧微环境。有机胺的光氧化需要氧气的参与，并有可能产生 ROS 陷阱。我们选择了各种类型的有机胺，包括芳香胺和脂肪胺（伯胺、仲胺和叔胺）作为候选物质。利用模型 TTA-UC 对（PdTPBP/Py），我们分析了 PdTPBP/perylene 在有机胺存在的红光照射下的上转换性能。PdTPBP/perylene 在一胺和二胺的光氧化作用下表现出快速的上转换恢复和强烈的上转换强度。然而，当三级胺被光氧化时，PdTPBP/perylene 的上转换恢复较慢，上转换强度较弱。机理研究表明，伯胺和仲胺的光氧化主要涉及 3PdTPBP* 对氧的敏化作用，生成单线态氧（1O2），然后进一步被伯胺和仲胺清除，实现耗氧。关于叔胺的光氧化，该过程主要涉及 3PdTPBP* 和叔胺之间的光诱导电子转移（PET），生成超氧阴离子（O2•−）。然而，3PdTPBP* 和叔胺之间的 PET 过程与 3PdTPBP* 和过烯烃之间的 TET 竞争导致上转换强度较弱。此外，我们将富含胺基的聚乙烯亚胺（PEI）共轭到PSMA-PEG-OA上，构建了具有小颗粒尺寸、均匀性及优异水分散性的TTA-UC纳米颗粒。
为了提高光子上转换材料的生物相容性，我们首次建立了基于天然蛋白质的光子上转换超分子组装（PUSA）。额外的疏水 TTA-UC 对（PtTNP/An1-4）可形成上转换蛋白质簇，并与之自组装。然后，这些蛋白质团簇可进一步组装形成 PUSA。实验研究表明，消除剂的空间位阻不仅能防止其荧光因在PUSA中聚集而被猝灭，还能提高其在水溶液中的分散性和稳定性。此外，BSA 的浓度也会影响 PUSA 的粒径。BSA 浓度高时，PUSA 的粒径为 44.1 ± 4.1 nm，而 BSA 浓度低时仅为 13.1 ± 0.9 nm。这种变化是由于 PUSA 的形成需要蛋白质的多级自组装。湮灭体的立体阻碍与 PUSA 的性能密切相关。当我们使用高立体阻碍的 An4 作为湮灭剂时，我们观察到了最高的上转换强度。这种效应可能是由于 An4 的高立体阻碍阻止了湮灭剂在 PUSA 中的堆叠。我们在 PUSA 中生成了纳米封闭结构，这大大提高了分子间 TET 的效率。因此，我们能够避免氧引起的上转换淬灭。
多孔固体湮灭剂是通过在 PAF 中掺入湮灭剂 (DPP) 单元合成的。多孔固体湮灭剂是通过在 PAFs 中掺入湮灭剂 (DPP) 单元来合成的。而固体 TTA-UC 材料则是通过在孔隙中装入三重能级与 DPP 单元相匹配的光敏剂 (PdTNP) 来制备的。在 PAF 中，光敏化产生的三重激子会经历一个 TTA 过程，从而产生上转换发射。为了通过铃木-宫浦反应合成掺杂湮灭剂的 PAF，我们采用了 Phen-DPP 作为连接剂。Phen-DPP 中含有 2,4 二甲基取代基的 PAF 被命名为 PAF-2，而不含甲基取代基的 PAF 被命名为 PAF-1。从 PAF-1 和 PAF-2 的表征中可以看出，引入 2,4-二甲基取代基并没有对 PAF-1 和 PAF-2 的孔隙率特性产生实质性影响。具体来说，这两种材料都保留了直径为 1.9 nm的孔隙和直径仅为 1.8 nm的较小孔隙。PAF-2 的荧光量子产率（12%）高于 PAF-1（5%），而且 PAF-2 的荧光发射波长（573 nm）短于 PAF-1（600 nm）。这种差异是由于引入了 2,4-二甲基取代基，阻碍了 Phen-DPP 单元与 PAF 主干之间的 π 共轭。我们采用直径为 2 nm 的 PdTNP 作为光敏剂，并利用主客体策略组装 PAF，合成了 721 nm 的可激发 PAF 基 TTA-UC 材料。DPP-PAF-1/PdTNP的上转换强度仅为DPP-PAF-2/PdTNP的1/50，这一点通过上转换光谱的表征得以揭示。DPP-PAF-2/PdTNP中的三重激子扩散长度（LT）显著增加了0.82 μm，三重激子扩散系数（DT）也大于DPP-PAF-1/PdTNP，这一点通过三重激子敏化实验得到了证实。我们进行了理论化学计算，以研究芳香连接体长度对T1能级的影响，计算单元为Phen-DPP。在PAF-1的情况下，随着芳香单元的增加，T1能级从1.44 eV下降到1.36 eV。然而，在PAF-2中，随着芳香单元数量的增加，T1能级未出现下降。这些证据表明，DPP单元的T1能级均匀性至关重要，而引入2,4-二甲基基团是实现这一目标的关键。最后，我们开发了基于PAF的近红外TTA-UC材料，在721 nm照射下其上转换效率可达1.5%。
TTA-UC 的分析
基于 TTA-UC 的分析方法为高灵敏度的百草枯光 学检测提供了一种重要的策略。我们使用 PdTPBP/Py NPs 作为纳米探针进行了百草枯测试。我们观察到引入百草枯后上转换强度大大降低；然而，TTA-UC NPs 的上转换发光并未受到其他常见农药的影响。这一发现表明，TTA-UC NPs 对百草枯具有特异性反应。我们还证实，TTA-UC NPs 能够通过实水百草枯测试。随后，我们对 TTA-UC NPs 作为百草枯传感纳米探针的机理进行了详尽的研究。根据 zeta 电位测量结果，TTA-UC NPs 表面带有负电荷，这有利于富集带正电荷的百草枯。这种富集对于确定低浓度百草枯的存在至关重要。此外，纳秒瞬态吸收光谱（ns-TAS）显示，在含有百草枯的TTA-UC纳米颗粒中存在PdTPBP自由基阴离子（PdTPBP•−）。证据表明，百草枯的检测主要是通过3PdTPBP*与百草枯之间的光电子转移（PET）实现的，这一过程抑制了3PdTPBP*与吡啶（Py）之间的能量转移（TET），从而淬灭了上转换发光。
氧诱导 TTA-UC 淬火是开发基于 TTA-UC 的传感技术的有效方法。当 DPP-PAF2/PdTNP 用作光学氧传感器的主要部分时，我们测量了它在 0-30% 氧浓度范围内的上转换强度。我们进一步拟合了上转换强度和氧气浓度，证明 DPP-PAF-2/PdTNP 与氧气浓度具有令人满意的定量相关性。与之前报道的基于 TTA-UC 的氧传感器相比，使用 DPP-PAF-2/PdTNP 作为氧传感器大大简化了器件结构，并显示出广泛的氧传感范围。此外，鉴于 TTA-UC 强度与氧气浓度之间的相关性，我们利用 PUSA 作为纳米探针来定量检测临床尿液样本中肌氨酸的浓度，因为肌氨酸是一种主要的前列腺肿瘤标记物。为了提高 PUSA 的上转换强度，我们利用肌氨酸氧化酶与肌氨酸之间的酶促反应来去除水溶液中的氧。在肌氨酸氧化酶的作用下，PUSA 与肌氨酸具有明确的定量相关性和特异性响应。此外，尿液中的其他成分也不会妨碍肌氨酸的定量分析。更重要的是，我们开发出了一种快速定性和定量分析临床尿样中肌氨酸的方法，它能精确分析前列腺肿瘤患者尿液中的肌氨酸，因为 TTA-UC 只需要低功率 LED 照明就能发射上转换光子。
基于TTA-UC的光化学反应
长波长(低能光子)驱动的光化学反应表现出较深的溶液穿透性，并最大限度地减少副反应。然而，低能光子会导致光催化剂激发态的还原电位或氧化电位降低，使得驱动光化学反应变得困难。在连续的低能光子激发下，TTA-UC可以同时将两个低能光子转化为一个高能光子，为发展长波激发的光化学反应提供了一种新的策略。在早期的研究中，使用近红外(720 nm) LED照明报道了各种类型的TTA-UC介导的光化学反应利用发挥双重作用的苝衍生物(即湮灭剂和光催化剂)和PdTPBP作为光敏剂，甚至实现了惰性芳基卤化物的光还原然而，在波长大于1000 nm的较长波激发下，TTA-UC介导的光化学反应尚未见报道。
光聚合是各种有前途的应用的基础，例如先进的药物输送、组织工程和立体光刻3D打印。然而，当代大多数聚合工艺仍然依赖于紫外线或蓝光作为激发源，其穿透性有限。相比之下，在近红外光中存在大规模3D光聚合的潜力，特别是NIR-II光子，它具有深入穿透的能力。为了说明NIR-II-光子驱动的光聚合通过光子上转换，我们采用PbS/Th-DPP/rubrene作为光催化剂，并利用原子转移自由基聚合(ATRP)作为模型。PbS/Th-DPP在1064 nm光照下致敏rubrene，随后经过TTA过程形成高能单线态rubrene(1rubrene*)。1rubrene*与光引发剂(甲基α-溴苯乙酸酯)发生光诱导电荷转移，产生自由基。这些自由基随后加入甲基丙烯酸甲酯引发光聚合。我们在反应溶液中引入交联剂(二甲基丙烯酸乙酯)，生成弹性体。对照实验进一步证实了光照射、引发剂和PbS/Th-DPP/rubrene的关键作用。本研究首次采TTA-UC技术实现了NIR-II光子驱动光聚合。
PAF基TTA-UC促进了TTA-UC材料在光氧化还原催化中的再循环。我们采用PAF基TTA-UC材料作为光催化剂，光氧化多种芳香苯硼酸并生成苯酚衍生物此外，我们说明了PAF基TTA-UC材料作为光催化剂的多功能性，如各种光催化反应，包括芳基苯硼酸光氧化为芳基酚，氢脱卤和C−H芳基化。机理研究表明，DPP单元在PAF基TTA-UC材料中同时具有光催化单元和三重态能量受体的功能。在NIR LED照射下，PdTNP敏化DPP单元，使其通过TTA过程跃迁到单重态，从而驱动光化学反应。此外，PAF丰富的多孔框架结构促进了底物的富集，从而提高了底物转化产率。经过5次催化循环后，PAF基TTA-UC材料的性能没有下降。
结论
TTA-UC目前面临的挑战是开发新型光敏剂和湮灭剂。在光敏剂领域已经开发了各种材料和分子，包括金属团簇、稳定自由基分子和Fe、Zr和Mo的金属配合物，这些分子在可见光区表现出优异的上转换性能;然而，他们在实现NIR TTA-UC方面遇到了困难。据报道，量子点，特别是那些不含镉和铅离子的量子点，显示出有效的NIR TTA-UC。然而，这些TTA-UC材料的主要操作是在无氧有机溶剂中，需要开发相应的设备来促进低能光子的收获和转换。DPP衍生物是继多环芳香族化合物之后出现的一类具有高光稳定性的新型湮灭剂。然而，由于DPP固有的光物理性质，到目前为止，还没有发现或用于TTA-UC的发射蓝光或更短波长的DPP衍生物。TTA-UC在生物学上的应用主要集中在概念光遗传学、生物测定和给药等方面。然而，这些直接的生物学应用并没有充分展示TTA-UC的独特特性。例如，目前的酶联免疫吸附测定(ELISA)仪器可以与TTA-UC在生物测定中异常低的激发强度结合使用，以促进生物标志物的快速高通量筛选。高性能TTA-UC NPs的制备对于实现这一目标至关重要。此外，基于TTA-UC的生物分析方法和TTA-UC NPs的表面修饰仍然没有得到充分的描述。TTA-UC是一种与光子响应蛋白或分子偶联的光传感器，在体内调节细胞信号通路是其很有前景的应用。然而，在生物体内靶向递送TTA-UC NPs仍然是一个实质性的障碍。此外，目前的TTA-UC NPs主要是通过超分子组装形成的胶体材料。在体内，生物分子可能会取代或取代这些材料，导致胶体解离，这对TTA-UC纳米材料的生物应用具有重要意义。
TTA-UC太阳能转换的潜力受到NIR范围内TTA-UC材料和器件的限制。例如，rubrene是使用中的主要湮灭剂；然而，这种分子表现出异常差的光稳定性，即使在微量氧的存在下，也会导致TTA-UC材料或器件的光漂白。低能光子刺激光化学反应，利用湮灭子作为光催化剂和三重态能量受体。然而，光敏剂的直接激发导致光漂白，降低了TTA-UC的强度。此外，光敏剂和湮灭剂之间的TET过程与衬底和光敏剂之间的PET过程竞争，这也降低了上转换发光的亮度。
参考文献
Triplet–Triplet Annihilation Upconversion: From Molecules to Materials, Hong-Juan Feng, Ming-Yu Zhang, Lin-Han Jiang, Ling Huang,* and Dai-Wen Pang,Acc. Chem. Res., https://doi.org/10.1021/acs.accounts.5c00403.
