六芳基联咪唑荧光分子开关的设计、合成与超分辨成像

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1、分类号学号D201177709学校代码10487密级博士学位论文六芳基联咪唑荧光分子开关的设计、合成与超分辨成像学位申请人：龚文亮学科专业：光电信息工程指导教师：朱明强教授答辩日期：2015.5ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringFluorescentHexaarylbiimidazole(HABI):Design,SynthesisandApplicationinSup

2、er-resolutionImagingPh.D.Candidate:GongWen-LiangMajor:OptoelectronicsandInformationEngineeringSupervisor:Prof.ZhuMing-QiangHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或

3、集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文

4、作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要电子显微镜具有极高的分辨率，能够有效地对纳米尺度的微观世界进行观察。然而，电子显微镜存在和生物样品相容性差、只能观察静止图像等缺陷，在生物领域的成像应用十分有限。与之相对，荧光显微镜对生物样品的破坏极小，非常适合用来观察生物样品。不过受到光本身波动性的限制，光学显微镜存在着分辨率的极限（~200nm），极大的阻碍了其在生物领域的应用。近几十年，人们通过各种手段打破了光学显微镜的分辨率极限。这些手段我们可以统称为超分辨成像技术。其中，利用荧光分子开关作为探针的随机成像

5、手段（如STORM）占据着非常重要的地位。这一技术的原理利用探针的荧光性能在一定的刺激下进行不断的“强”与“弱”交替变化，获得超分辨成像。本文以六芳基联咪唑（HABI）这种新型的光致变色材料为基础，设计合成了一系列的荧光分子开关，主要从以下几个部分展开讨论：第一章中，对光学成像存在分辨率极限以及超分辨成像的原理进行了重点的介绍，强调了随机手段中荧光分子开关的设计与合成对于实现超分辨成像的重要地位。另外，我们对各种光致变色材料进行了简单的概述，同时系统地对六芳基联咪唑这种分子开关进行了详细的调研。我们提出，六芳基联咪唑属于热褪色型光致变色材料

6、，通过合适的修饰，可以获得极快的褪色速度，非常适合随机型超分辨成像手段。第二章中，将具有聚集诱导发光（AIE）性能的四苯基乙烯(TPE)与六苯基联咪唑进行偶联。目标产物TPE-HABI由于TPE的存在而具备了AIE性能，同时其荧光可以被光致变色产生的自由基通过能量共振转移（FRET）淬灭，实现可逆的荧光开关。另外，我们发现TPE-HABI有着奇特的发射波长随激发波长变化而变化的性能。最后我们将TPE-HABI运用于聚合物薄膜的超分辨成像中。另一方面，我们指出了TPE-HABI本身在有色态褪色速度较慢，抗疲劳性较差以及荧光量子产率不够高等方面

7、的不足。第三章中，首先从提高六芳基联咪唑荧光量子产率方面着手，讨论了TPE-HABI本身荧光量子效率不高的原因，提出了在荧光基团和六苯基联咪唑之间插入非共轭基团，限制光诱导电荷转移过程，进而提高其荧光量子产量的分子设计。我们平行I华中科技大学博士学位论文设计、合成以及研究了“非共轭”连接和“共轭”连接的萘酰亚胺-六芳基联咪唑荧光分子开关。我们发现“非共轭”的分子设计对于分子开关在荧光量子产率和荧光开关比等方面的性能有着明显的提升。第四章中，继续讨论了非共轭连接的分子设计是否具有普适性。通过引入不同发光的荧光基团，采用非共轭的连接方式，我们得

8、到了深蓝，蓝绿以及近红外发光的六芳基联咪唑荧光分子开关。这一结果充分地说明了“非共轭”连接对于提高荧光量子产率和荧光开关比的可行性。另一方面，我们也指出了“非共轭”连接没有解决有