氧气作为大气中含量第二高的组分，不仅是维持生命活动的必需物质，更是影响工业生产与高端制造的关键要素。从医疗健康、食品保鲜等民生领域，到航空航天、半导体制造等高精尖行业，氧气的精确传感与检测均具有重要的科学意义和实用价值。
在众多氧气传感技术中，基于发光猝灭原理的光学氧气传感器凭借非接触式测量、非耗氧性检测及长使用寿命等显著优势，已成为当前主流传感技术之一。然而，现有商用光学氧气传感器主要依赖贵金属（如铂、铱、钌等）有机配合物室温磷光（RTP）材料，这不仅提高了光学氧气传感器的应用成本并带来了潜在的环境影响，更重要的是重原子效应导致了过强的自旋轨道耦合（SOC），使得这类材料三重态激子寿命较短（多为微秒级），这导致大量三重态激子在被氧气猝灭之前就已辐射失活，严重制约了其在低氧气浓度下的检测可靠性。而纯有机分子往往处于另一个极端：过于微弱的SOC阻碍了三重态激子的生成，难以满足氧气传感应用的高发光效率需求。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。
近日，吉林大学超分子结构与材料全国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。该材料不仅展现出41.6 %的RTP效率，同时实现了荧光发射光谱和RTP发射光谱之间的有效分离，RTP信号可对氧气浓度做出灵敏响应而荧光信号则保持恒定，这一特性使得无需引入外源参比物质即可实现可靠的单组分比率式氧气传感。与传统的金属-有机配合物材料相比，相同条件下3TA2的氧气敏感性提升了近200倍。另外，3TA2可灵活适应不同的聚合物基质，实现氧气敏感程度的可控调节。将其以1 wt.%掺杂于ZEONEX 340R中，其Stern-Volmer常数（KSV）可达203.3 kPa-1，这是目前纯有机RTP氧传感材料的最高记录之一。即使采用废旧聚苯乙烯泡沫（EPS）作为基质，仍能实现180 kPa-1以上的KSV，进一步凸显了该材料在实际应用中的低成本和可靠性的优势。
图1. (a) 相同条件下3TA2与商用金属-有机配合物RTP材料Ir(ppy)3和PtOEP的氧气灵敏性对比，(b) 3TA2在不同基质中的氧气传感能力。
不仅如此，利用该材料在不同氧气浓度下显著的光色和亮度差异，该课题组创新性地开发了一种基于视频灰度分析的实时氧监测方案：通过记录PMMA掺杂薄膜在不同氧浓度下的发光视频，建立了视频灰度与氧浓度的定量工作曲线（R2>0.99）。针对未知浓度的待检测样品，仅需实时采集视频并进行相同灰度处理，对照工作曲线即可精确计算得到实时氧气浓度。在实际测试中，该方案对0.2%（2000 ppm）氧含量的待检样品检测平均绝对误差仅68 ppm，对0.5%（5000 ppm）氧含量的待检样品误差为157 ppm。相较于传统光谱检测方法，该方案无需复杂仪器支持，且每片薄膜成本不足0.1元，在对低浓度氧气的低成本、实时、准确、快速检测方面展现出巨大潜力。
图2. 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。
这一成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上。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，杨兵教授和刘海超准聘副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。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Highly Sensitive Thianthrene Covalent Trimer Room-Temperature Phosphorescent Materials for Low-Concentration Oxygen Detection
Zhiqiang Yang, Junjie Qian, Shuaiqiang Zhao, Yingbo Lv, Zhe Feng, Shiyin Wang, Hanbing He, Shi-Tong Zhang, Haichao Liu, Bing Yang
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202424669
杨兵教授简介
本文通讯作者，吉林大学教授，博士生导师，长期从事研究超分子光电功能材料与应用开发、新型有机电致发光材料与器件、纯有机室温磷光材料与器件等。迄今主持国家自然科学基金委项目10余项、国家重点研发计划项目子课题3项、以及863平板显示专项课题1项。已经在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、CCS Chem.等国际学术期刊上发表论文200余篇，8篇入选ESI高被引论文，论文总引用15000余次（H-index: 66），连续4年（2020–2023）入选爱思唯尔中国高被引学者。2020年入选“唐敖庆学者”卓越教授。以第四完成人获2008年教育部高校自然科学一等奖“新概念有机电致发光材料”。
