双光子荧光探针的研究进展

有机双光子材料的研究进展

随着以光电子学为中心的信息时代的到来，具有特殊信息处理功能和超快响应的光电材料将成为未来信息材料发展的主体，而非线性光学材料就是其中发展较为迅猛的一种。非线性光学是强光光学，研究的是物质在强光作用下产生的输出光强度与原入射光的非线性关系。非线性光学材料在强光作用下，反映介质性质的物理量（如极化强度P等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致许多在线性光学中不能解释的新现象，表现出独特的非线性光学性质。双光子吸收属于三阶非线性光学效应的一种，有着独特的光学和电学效益，使得双光子技术在未来光电子集成、生物分子探测、医学诊断等领域具有巨大的应用潜力和广阔前景[1]。

一、双光子吸收的基本概念

双光子吸收属于三阶非线性光学效应，该理论最早是由Goeppert- Mayer于1931年首次提出的。它是指在强激光激发下，利用近两倍于样品的线性吸收波长的光源激发该样品，使其通过一个虚中间态(virtue state)直接吸收两个光子跃迁至高能态的过程，所吸收的两个光子的能量可以相同(ω1=ω2，简并吸收)，也可以不同(ω1≠ω2，非简并吸收)，其机理如图1所示。

图1 单、双光子吸收和发射机理示意图

和单光子吸收和发射相比，双光子吸收和发射有以下本征特点：

（1）在材料中高的穿透深度。单光子荧光过程是短波激发长波发射，吸收和发射所涉及的基元光物理过程服从Stark-Einstein定律。而双光子荧光是长波激发短波发射，所用激发光的波长红移近一倍，一般位于600-900nm，远远低于单光子过程紫外辐照光(波长为250-400nm)的光子能量。这一波段的光具有很好的穿透性，Rayleigh散射小，背景光干扰小，便于观测，并且光损伤、光漂白、光毒性都较小。

（2）双光子吸收具有高度的空间选择性。双光子诱导的电子跃迁几率与入射光强度的平方I2成正比，并且只有入射激光的峰值功率密度(光强)达到一定的闽值，才会有双光子吸收现象。在激光束紧聚焦条件下，双光子吸收效应局限于材料内部相当于入射波长立方λ3的微小区域内，而在焦点以外的地方，入射光的峰值功率密度可控制在激发阈值以下，则不会有双光子吸收，从而实现了双光子吸收效应的高度空间选择性。

（3）双光子吸收与单光子吸收的量子选择定则不同。对于中心对称的分子，其电子态具有明确的宇称，分别标记为g(gerude)或u(ungerude)。通常单光子吸收的选择定则为g-u或u-g，而双光子吸收的最大特点在于其选择定则是g-g或u-u，分子的宇称奇偶性保持不变[2]。

二、有机双光子吸收材料的研究现状

双光子吸收技术的发展很大程度上依赖于在人们所希望的波长范围内具有大的双光子吸收截面分子的合成，在共轭链的两端对称地或不对称地接上给电子基团或受电子基团都可获得有效的双光子吸收材料。目前，研究最多的双光子吸收材料的分子结构是π共轭单元两边对称地或不对称地接上供电子取代基或吸电子取代基，形成D- π- D、A- π- A或D- π- A型的分子结构。通过改变供电子取代基或吸电子取代基, 增加共扼链的有效长度，或在共轭单元上引入各种基团而使分子的电荷重新分布，都可以增强分子的双光子响应强度。

虽然最先研究的双光子吸收材料是无机材料，但是同无机双光子吸收材料相比，有机双光子吸收材料具有许多优点：（1）成本低；（2）易于进行器件制作和集成；（3）性能可通过结构修饰进行调节；（4）光学损伤阀值高；（5）非线性光学响应快速；（6）具有相对于无机铁电晶体高一到两个数量级的非线性光学系数。研究表明：双光子吸收材料的双光子吸收截面和化合物的结构有很密切的关系，如：分子的共平面性、分子的维数、π连接的长度等。现有的有机双光子吸收分子按照其化学结构及空间维数可分为：一维线性双光子吸收分子，多枝状双光子吸收分子和聚合物双光子吸收分子等[3-5]。

1、一维线性双光子吸收分子

一维线性双光子吸收分子是人们最先研究的有机双光子吸收材料。一维线性双光子吸收分子可以分为对称的一维线性双光子吸收分子（D-π-D,D-A-D,A-π-A,D-π-A-π-D,D-π-D-π-D,A-π-A-π-A等,D 表示电子给体，π表示共轭键桥，A表示电子受体）和不对称的一维线性双光子吸收分子（D-π-A）两种类型。常见的π中心为：苯、二联苯、芴、噻吩和蒽等。

与二苯乙烯（R1）相比，其它化合物（R2-R5）的双光子吸收截面值（σ2）明显增大。M.Albota 等人通过计算认为，主要原因是取代基上推电子基团使电子离域增加，分子被激发后，电荷重新分布，增大了S1和S2态的跃迁矩。

为了提高一维分子的双光子吸收截面，可以从以下几个方面来改进：（1）增大共轭链的长度。（2）增加双光子吸收有机发色团的数密度。（3）增大分子的共平面性。（4）改变有机分子共轭桥的密度或者

引入极性更大的π电子共轭桥。（5）增大末端的电子给体或电子受体的强度有助于增加双光子吸收截面。一般而言，电子给体、受体的强度越大，越有利于形成电荷转移的共振态，扩大π电子流动范围，使分子在外场作用下更易发生分子内电荷转移而有利于增强分子的双光子吸收截面。

图2 有机双光子吸收材料

2、多枝状双光子吸收分子

探索多维树枝状的强双光子吸收材料是目前研究的热点之一。这类分子主要是以同一结构单元为中心，例如：三苯胺及其衍生物（R6-R8）、三苯取代苯、苯环和芳香杂环等，各种常见的电子给体和电子受体的发色基团为支链形成树枝状或三维网状结构的大共轭体系的分子。增加分子维数形成多枝结构，利用协同增强效应可以有效的提高分子的双光子吸收截面。同时一维线形分子的双光子吸收特性和分子的结构之间的关联也适用于多枝类型的分子，给受体强度的增强和分子共轭链长度的增加，有利于双光子吸收截面的提高，增大共轭桥的可极化程度，促进分子内电荷转移，增大共平面性等都有助于增大分子的双光子吸收截面。

3、聚合物双光子吸收分子

聚合物结构的双光子吸收材料报道的相对较少，K.D.Belfield小组和A.Hohenau小组分别报道了几