非手性分子发光有妙招：借液晶之力，实现高不对称圆偏振发光

      

*本文只做阅读笔记分享*

一、圆偏振发光研究背景与挑战

圆偏振发光（CPL）材料在3D显示、光电器件等领域大有用处，衡量它的一个重要指标是不对称发光因子（glum）。早期CPL材料的glum值低，限制了实际应用。为提高glum值，研究人员常用的方法是把有手性的部分接到发光分子上。

溶液体系的圆偏振发光有不少优点，像灵敏度高、分子分散均匀等，在生物医学方面也有潜在应用。但手性有机发光分子在溶液里的∣glumi∣值通常很低，而且合成手性有机发光分子又复杂又贵。所以，找到让非手性有机发光分子在溶液里高效实现高∣glumi∣值的圆偏振发光方法，成了科研的重要难题。

二、手性向列相液晶（N-LCs）的特性与制备

液晶（LCs）是处于有序晶体和无序液体之间的一种状态，既有点像固体的有序，又保留了液体的流动性。在液晶里加入手性掺杂剂，就能得到手性向列相液晶（N*-LCs）。

研究人员制备了一系列不同手性掺杂剂比例的N*-LC材料（R1–R9，S1–S9），把它们夹在两片石英板中间，用偏光显微镜（POM）、紫外-可见吸收光谱、圆二色谱（CD）等技术来研究它们的光物理性质。

POM图像能看到经典的油纹织构，说明制备的N*-LCs螺旋轴垂直于石英基板。从紫外-可见和CD光谱能看到两个峰，CD光谱在N*-LC的吸收峰处有明显信号，而且不同类型的N*-LCs（R型和S型）信号还不一样，这表明成功把R/S-5011的手性转移到了N*-LCs上。

三、溶液-N-LC复合系统的圆偏振发光策略

研究提出了一个新策略，把非手性发光分子的溶液和N*-LCs分开，把N*-LCs放在溶液后面。这个策略是利用N*-LCs的选择性反射-透射机制，把溶液发出的非偏振光变成圆偏振光。

实验验证时，先选了一种检测磷酸酶的非手性水溶性荧光底物4-甲基伞形酮磷酸二钠（4-MUP）。把它溶解在水溶液里，对比它的发射光谱和各种N*-LCs的反射光谱，发现R1和S1N*-LCs匹配得最好。

把R1或S1放在4-MUP水溶液后面，测试整个复合系统的CPL性能，结果很棒，CPL光谱对称性好，发光不对称因子达到理论值+2和-2。用这个策略测试了一系列非手性分子在水溶液里和N*-LCs复合的CPL性能，都得到了很好的结果，∣glumi∣值超过±1.5，有的甚至达到理论最大值±2，证明了这个策略可行。

四、策略的普适性验证与白光圆偏振发光

为了验证策略的普适性，研究人员又测试了多种能溶解在有机溶剂里的发光分子，从蓝光到红光的都有，像荧光分子、磷光分子、热激活延迟荧光（TADF）分子等。以Cz-DPS、TBN等分子为例，把匹配的N*-LCs放在它们的甲苯溶液后面，复合系统都成功实现了高性能的圆偏振发光，∣glumi∣值大于1.6，有的能达到2，进一步证明了策略的普适性。

研究还成功构建了混合溶液实现白光圆偏振发光。在水溶液里把发蓝光的MQAE和发黄光的R6G混合，在有机甲苯溶液里把发蓝光的DMAC-DPS和发黄光的PO-01-TB混合，得到的溶液荧光发射光谱有双峰，CIE坐标显示都在白光区域。在这些白光溶液后面放上能分别选择性反射蓝光和黄光波长的N*-LCs，成功实现了高glum值的白光CPL，再次验证了策略的通用性。

五、基于复合系统的逻辑门设计

发光溶液体系比固态体系的一个优势是能实现颜色变化，比如通过酸碱调节实现可逆的颜色调制。研究合成了一种芴基衍生物F6IQ，它的甲苯溶液在加三氟乙酸（TFA）后，荧光发射波长会变化，颜色从蓝变黄，再加三乙胺（Et3N）又能变回蓝色，说明它有明显的可逆酸碱响应。

利用这个特性和N*-LCs的选择性反射-透射机制，设计了一个分子逻辑门。以F6IQ的甲苯溶液为初始状态，设置了四个输入：紫外线、N*-LC（R2/S2）、TFA、Et3N，输出是不同波长的荧光和CPL活性。根据不同输入组合得到不同输出，比如在特定输入下，输出包括397nm荧光的CPL活性，对应输出O1-O3为1，0，1。这个逻辑门能根据不同外部输入输出多种信息，为开发光学逻辑器件提供了思路。

六、研究总结与展望

这项研究开发了一种通用且可靠的策略，用掺杂R/S-5011和SLC1717的N*-LC材料，实现了非手性有机分子在溶液里全色和白色的圆偏振发光。得到的圆偏振光∣glum∣值超过1.5，有的能达到2.0。这个策略适用于水溶液和有机溶液体系，能兼容多种发光分子。

而且，利用溶液的酸碱响应性和N*-LCs的选择性反射-透射机制设计了逻辑门。这个策略在分子、N*-LC和材料层面都有优势，为构建圆偏振发光材料提供了新的思路和设计理念，未来可能有大规模应用的潜力。

七、一起来做做题吧

1、关于圆偏振发光（CPL），下列说法正确的是？

A.CPL材料的不对称发光因子（glum）理论值范围是0-1

B.早期CPL材料因glum值高而限制了实际应用

C.溶液体系的CPL具有灵敏度高、分子分散均匀等优点

D.手性有机发光分子在溶液中的∣glumi∣值通常能达到1以上

2、制备手性向列相液晶（N*-LCs）的常用方法是？

A.对液晶进行高温处理

B.向液晶中掺杂手性掺杂剂

C.对液晶进行化学修饰

D.使液晶与其他有机物混合

3、本研究中实现溶液中高不对称因子圆偏振发光的策略是？

A.将手性发光分子与N*-LCs共混

B.把N*-LCs放在非手性有机分子溶液前面

C.把N*-LCs放在非手性有机分子溶液后面

D.对非手性有机分子进行手性修饰

4、以下哪种分子类型未在策略普适性验证中被测试？

A.荧光分子

B.磷光分子

C.热激活延迟荧光（TADF）分子

D.生物发光分子

5、在基于F6IQ设计的逻辑门中，以下哪种物质用于使荧光发射峰恢复到初始位置？

A.三氟乙酸（TFA）

B.三乙胺（Et3N）

C.盐酸

D.氢氧化钠

6、本研究中实现非手性有机分子在溶液里圆偏振发光的N*-LC材料是掺杂了什么？

A.R/S-5011和SLC1717

B.R-5011和SLC1717

C.S-5011和SLC1717

D.仅SLC1717

参考文献：

Ji, MJ., et al. Circularly polarized luminescence with high dissymmetry factors for achiral organic molecules in solutions. Nat Commun 16, 2940 (2025).