Developments of Fluorescent Polymer Hosts for Circularly Polarized Electroluminescence and Fluorescent Probes for Detection of Biological Zinc

Abstract

This study is for an application of light emitting materials to devices and fluorescent sensors. Chapter 1 describes the photophysics of photoluminescence transitions of organic molecules that support the overall study and the theory of organic light-emitting devices. Photoluminescence is produced by absorbing the photon. The excited state molecules have more high-energy than the ground state molecules. The energy of released photons is involved in a variety of photophysics phenomenon. The excited states relax back to the ground state with generating photons like fluorescence, phosphorescence and thermally activated delayed fluorescence. Organic light-emitting devices are using luminescence. Holes and electrons are injected from a transparent anode and metal cathode, respectively. A hole-injection layer and electron-injection layer are deposited for transporting charge carriers. Recombination of hole and electron within emitting layer generate excitons. The exciton produces light emission. This overall luminescence phenomenon and application is summarized in Chapter 1. In Chapter 2, the content is chiral polymer hosts for circularly polarized electroluminescence devices. In this work, we have developed new chiral polymer hosts based on carbazole. By introducing chiral repeat units with point chirality, the carbazole groups located asymmetrically with each other along the polymer main chain. This structural approach is useful in that it allows the carbazole unit in the polymer to have a helical structure. The chiral polymer host interacts diastereoselectively with an enantiomeric pair of new phosphorescent dopants. Chiral polymer host represents stereoselective enhancement with (R)-form chiral dopant. The circularly polarized electroluminescence were fabricated and evaluated using chiral polymer host and chiral dopants. It is expected that the chiral polymer host can contribute to the development of emitting materials in electroluminescence devices. Chapter 3 shows a fluorescent zinc sensor for detection of zinc ions in a living organism. We designed and synthesized a deep-red-fluorescenct zinc probe with a membrane-targeting cholesterol unit for zinc trafficking. This zinc probe consists of a boron-azadipyrromethene (aza-BODIPY) fluorophore due to long excitation and emission wavelength for bioimaging utility. The fluorescent probe exhibits a fluorescence turn-on response to zinc ions selectively and sensitively in solution and within the HeLa cell.;본 연구는 발광체의 발광 현상을 이용하여 디바이스 및 형광 센서로의 적용을 연구한 내용이다. 1장에서는 전반적인 연구 내용을 뒷받침하는 발광 현상에 대한 이론을 설명하고 이 현상이 적용된 유기 발광 소자에 대해 설명하였다. 광 발광은 분자가 광자를 흡수함으로써 나는 빛을 말한다. 들뜬 상태의 분자는 바닥 상태의 분자에 비해 높은 에너지를 가지게 된다. 이 에너지를 통해 다양한 광물리적 현상이 빠르게 일어날 수 있다. 들뜬 상태의 분자는 형광과 인광 그리고 열활성지연형광 등으로 스스로 빛을 낼 수 있다. 발광 현상을 이용한 연구 분야로 유기 발광 소자가 있다. 음극과 양극에 전압을 걸면 각각의 극에서 정공과 전자가 주입되고, 주입된 전자와 정공이 각각의 전자수송층, 정공수송층 등을 통과해 발광층에서 엑시톤 상태로 결합한다. 이 결합에 의해 발광층의 발광재료가 들뜬 상태가 되어 발광하게 된다. 이 전반적인 발광 현상 및 적용은 1장에 요약하였다. 2장에서는 유기 발광 소자의 원편광 발광 물질로써 키랄성 고분자 호스트를 개발한 내용이다. 본 연구에서는 카바졸 기반의 새로운 키랄성 고분자 호스트를 개발하였다. 점 키랄성을 갖는 반복 단위를 도입하여 고분자 주사슬을 따라 위치하는 카바졸 그룹끼리 서로 비대칭 배열을 하게 유도했다. 이러한 구조적 접근은 고분자 내 카바졸 그룹이 나선형의 입체구조를 가질 수 있게 한다는 점에서 유용하다. 키랄성 고분자 호스트에 키랄성 백금 도펀트를 도입하여 이들 사이의 부분입체 이성질체 상호작용을 알아보았다. 키랄성 고분자 호스트는 특정 형태의 분자 비대칭성을 갖는 도펀트에만 키랄성 증폭 효과가 나타난다. 이 호스트-도펀트를 도입한 원편광 유기 발광 소자로부터 원편광 발광이 구현되었다. 키랄성 고분자 호스트가 전기루미네센스 소자의 발광층 재료를 발전시키는 데 기여할 수 있다고 기대된다. 3장에서는 생체 내에서 신호분자로 작용하는 아연 이온은 탐지하는 데에 적용되는 형광 아연 센서에 대해 제시하였다. 세포막을 거쳐 일어나는 신호 전달 과정의 이해를 돕기 위해 세포막 선택성 콜레스테롤 단위를 포함하였다. 또한 단파장에서 여기 되어 생체 내 적용에 한계가 있는 단점을 극복하기 위해 장파장에서 여기 되는 aza-BODIPY 단위를 도입하였다. 이 형광 센서는 용액 상태에서도, 실제 HeLa 셀 내에서도 아연에 대해 선택적으로 그리고 감도 높게 탐지가 가능함을 밝혔다.