摘要：氧气作为生命活动、工业生产和环境监测中的关键组分，其精准检测具有重要意义。目前，商用的基于发光猝灭机理的光学氧传感器主要依赖贵金属（铂、铱、钌等）有机配合物室温磷光（RTP）材料，然而这类材料过强的自旋轨道耦合（SOC）导致三重态激子寿命过短，在被氧气猝灭之前
氧气作为生命活动、工业生产和环境监测中的关键组分，其精准检测具有重要意义。目前，商用的基于发光猝灭机理的光学氧传感器主要依赖贵金属（铂、铱、钌等）有机配合物室温磷光（RTP）材料，然而这类材料过强的自旋轨道耦合（SOC）导致三重态激子寿命过短，在被氧气猝灭之前便已辐射衰减，严重制约了其在低氧浓度环境下的检测性能。另一方面，纯有机分子由于SOC较弱，通常难以高效产生三重态激子，导致RTP效率低下，难以满足氧气传感需求。因此，如何调控SOC强度，在保证充足三重态激子产率的前提下实现其辐射衰减与氧气猝灭的动力学平衡，是构筑高效、高灵敏纯有机RTP材料的核心挑战。
图1 (a)金属-有机配合物与纯有机RTP材料在光学氧传感中的比较；(b)通过噻蒽共价三聚化构建纯有机氧敏RTP材料
近日，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室杨兵教授课题组利用“折叠诱导SOC增强”策略，设计开发了一种基于噻蒽共价三聚化的纯有机RTP材料3TA2，实现了高发光效率和高氧气敏感性之间的协同。该材料展现出41.6%的RTP效率和近乎完全分离的荧光-RTP双发射特征：其RTP强度对氧气浓度变化较为敏感，而荧光信号保持稳定，借此实现了无需外源参比物的本征型单组分比率式氧传感。与传统的金属-有机配合物RTP材料（如PtOEP和Ir(ppy)₃）相比，相同条件下3TA2的氧气检测灵敏度提升了近200倍。得益于3TA2优异的基质适应性，通过调控聚合物基质的氧气透过系数即可实现灵敏度的灵活调控，其中以ZEONEX-340R为基质的薄膜Stern-Volmer常数（KSV）高达203.3 kPa-1，这是目前纯有机RTP氧传感材料的最高记录之一。另外，即使采用废旧聚苯乙烯泡沫（EPS）作为基质，KSV仍能维持在180 kPa-1以上，充分证明了该材料在实际应用中的低成本、可靠性和环境适应性。图3上半部分：基于视频灰度的氧气浓度实时监测方案的简易实验装置和实现方法；下半部分：利用3TA2的PMMA掺杂薄膜检测实际氧含量0.5%(5000 ppm)的氮氧混合气
相关工作以“Highly Sensitive Thianthrene Covalent Trimer Room-Temperature Phosphorescent Materials for Low-Concentration Oxygen Detection”为题发表在《Angewandte Chemie》上（Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202424669. https://doi.org/10.1002/anie.202424669）。吉林大学化学学院“鼎新学者”博士后杨志强为论文第一作者，刘海超准聘副教授和杨兵教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国博士后基金资助。
该工作是课题组近期在纯有机RTP领域取得的最新成果之一，近年来，课题组一直致力于从纯有机室温磷光的深层原理出发，发展构建纯有机室温磷光材料的新策略和新方法。2018年，课题组首次提出了折叠诱导自旋轨道耦合增强概念（Mater. Chem. Front.20182, 1853-1858）；2022年，课题组借助理论模拟深入揭示了折叠诱导自旋轨道耦合增强的内在机理（J. Phys. Chem. Lett.202213, 1563–1570）；2023年，课题组借助金刚石对顶砧从实验上观察到折叠角度的微小变化对材料磷光性质的巨大影响（Chem. Sci. 202314, 2640-2645）。利用折叠诱导自旋轨道耦合增强机制，课题组现已构建出丰富的材料体系，并利用其氧敏感特征不断探索创新性应用（Adv. Mater.202436, 2306784）。
来源：高分子科学前沿一点号1