双光子吸收是一种明显区别于单光子吸收的非线性光学过程,既可用诱导具有超快光响应速度的物理过程,如荧光;又可以引发具有出色三维空间选择性的光化学反应,如光聚合反应,光控释放等,这使得双光子吸收的材料在分子生物、分子影像、材料、化学、物理和光电子等领域表现出极为诱人的应用前景。近些年来,随着双光子显微镜和激发双光子材料的激光器的商品化普及使得双光子材料在生物医学领域的研究成为一个极其活跃的研究领域。同时高强度激光器的出现还在一定程度了推进了的光物理学以及激光致盲武器的发展,但是也对会精密光学元件及实验人员带来了潜在的危害。在这种情况下面发展具有强光限幅效应的材料显得尤为重要。有机双光子分子由于其良好的可剪裁性、易于功能修饰和低成本等优势使得其成为目前用于生物医学和光限幅领域的主要双光子材料。虽然人们通过不断的构效关系优化已经获得了一系列具有强双光子吸收的有机分子,但是这些材料的水溶性很差,而且其在强极性溶液中的双光子吸收截面也很低,很大程度上限制了有机双光子材料在生物医学和光限幅领域的进一步发展。因此发展新型具有良好水溶性的有机双光子分子,提高其在强极性溶剂中的双光子吸收截面是进一步拓展该类材料在生物医学和光限幅领域应用的关键。本论文旨在开发具有强双光子吸收的有机双光子材料并研究其在光动力治疗和光限幅领域的应用。论文的研究内容包括以下四部分:1、有机双光子吸收小分子的设计、合成及线粒体靶向光动态治疗在本章中,我们设计并合成了一种内盐型的双光子光敏剂,通过内盐型的分子构型既可以解决双光子光敏剂水溶性问题,又可以有效提高材料的双光子吸收截面。而且在构筑内盐型分子构型时我们引入了N、O等杂原子,可以在一定程度上提高单线态到三线态系间窜越的几率,从而提高三线态敏化单线态氧的效率,其单线态氧量子效率高达84.6%。同时内盐型的分子构型实现了其线粒体靶向的功能,在有效降低材料剂量要求的同时提供了一种高效的内源性细胞凋亡的途径。2、基于主客体化学调控的双光子光动力治疗在本章中,我们设计并合成了一种双离子型有机双光子光敏剂。其在双光子吸收截面高达8213 GM,两个数量级高于现在报导的材料。研究发现季铵盐侧链的存在是该材料具有高单线态氧量子效率的主要因素。根据这一结论,我们使用主客体化学的概念,利用主体材料水溶性柱[5]芳烃与季铵盐侧链结合,把双光子光敏剂分子的季铵盐部分塞进柱[5]芳烃空腔,切断了侧链季铵盐与分子共轭骨架的相互作用,抑制了其单线态氧产生能力。利用柱芳烃对酸性pH的特殊响应性,在细胞微环境中促发柱[5]芳烃与双光子光敏剂的分离,从而恢复其单线态氧产生能力,实现可控的双光子光动力治疗。3、基于双光子吸收的宽波谱光限幅材料的设计、合成及其应用在本章中,我们通过简单的水热合成方法将有机双光子小分子、稀土上转换纳米粒子和氧化石墨烯三者杂化,制备了一种纳米复合材料。研究发现复合材料中存在两个双光子诱导的电子转移通道,有效地增强了材料的光限幅效应。而且结合有机双光子小分子在红光以及近红外光区很宽的吸收光谱范围,稀土上转换纳米粒子在近红外光区优异的吸收性质,最终杂化而成的复合材料表现了一个遍及红光到近红外光谱范围的光限幅效应。同时,由于该复合材料依赖的是双光子吸收的光限幅机理,所以使得其光限幅效应可以有效地应用于对超快的飞秒激光器的防护。4、双光子诱导蓝光发射水溶性有机小分子设计、合成及其在光限幅领域的应用在本章中,我们通过一种简单的合成方法获得了一个良好水溶性而且具有双光子诱导蓝光发射的有机小分子。通过Z-scan的方法测得其在水溶液中的双光子吸收截面高达4075GM,这比当前报道的吸收截面最高的双光子诱导蓝光材料提高了四倍。考虑到材料良好的水溶性和优异的双光子吸收能力,这类材料有望在生物成像、上转换激光或者光动态治疗领域体现出巨大的应用前景。进一步的我们通过一种非共价键的方式将其与GO结合,获得了一种光限幅效应增强的复合材料。同时将GO常规光限幅防护波长从532或者1046 nm拓宽到红光区域,为后续研究全光谱光限幅材料提供了一种选择。总之,在本论文中我们设计合成了一系列在强极性溶剂中具有强双光子吸收截面的有机小分子,进一步研究了该类材料在双光子光动力治疗和双光子诱导光限幅领域的应用,获得了一些具有创新意义的研究成果,为进一步研究有机双光子材料在生物医学和光电子学领域的应用打下了坚实的基础。