图1. 合成与晶体结构：(A-C) SC780(CCDC编号：2389311)和(D-F) SZ780(CCDC编号：2389312)。
近日，华东师范大学陈缙泉教授、罗潇研究员、胡竹斌副研究员团队与华东理工大学杨有军教授团队合作在近红外三重态染料的设计与合成方面取得重要突破。他们从分子激发态弛豫理论出发，通过螺共轭连接将两个七甲川菁染料分子以V型堆积方式组装，成功设计并合成了具有高效三重态生成能力的近红外染料SZ780。该研究成果发表在Angewandte Chemie International Edition上。
1.引言
分子中的三重激发态因易于发生氧化还原反应、延长的寿命和卓越的能量传输能力而成为光化学转化的介质，被广泛应用于光合作用、光催化、光动力疗法、染料敏化太阳能电池和光电器件等领域。同时，基于三重态的新型发光材料在室温磷光、热激活延迟荧光、有机发光二极管和圆偏振发光等方面也取得了显著进展。
由于三重态的多功能性和广泛应用，近二十年来，设计能够吸收紫外-可见光到近红外功能波长的高效三重态染料/敏化剂受到了极大的关注，对其光物理性质的理解也显得尤为重要。特别是，对能够吸收750 nm以上波长的近红外三重态染料的需求显著增加。这是由于它们具有更深的组织穿透深度、优异的生物相容性、高时空选择性和增强的太阳能收集能力，这些特性使其在许多领域具有潜在的应用前景。然而，随着吸收波长向近红外区域延伸，三重态染料的合理设计变得越来越困难。传统的H型和J型堆积方式虽然能够增强系间窜越过程，但其三重态量子产率仍然有限。
2.研究背景
在前期研究中，团队基于自旋轨道耦合系间窜跃机制(SOCT-ISC)，成功构建了一系列螺共轭体系，并开发了具有紫外(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22179–22184)到可见光(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202113190)吸收的三重态光敏剂。
3.分子合成
近日，在上述研究基础上，团队再次合作并设计合成了一种新型的七甲川菁染料SZ780，通过螺环连接实现了V型堆积结构(图1)。这两个花菁染料最初位于连接点的相对边缘，然后被压缩，使这两个花青染料的供电子头基团非常接近(0.7nm)。从上面看，SZ780中的两个菁染料采用斜向堆积(图1E)。而从侧面看，两个菁染料采用二面角为31.22°的X型堆积(图1F)。
4.瞬态吸收光谱解析光物理性质
图2. IR780、SC780和SZ780在DCM中的瞬态吸收光谱数据。
飞秒(fs)到纳秒(ns)时间分辨瞬态吸收(Transient Absorption，TA)光谱用于阐明三重态产生的光物理机制，研究团队发现这种独特的堆积方式不仅抑制了非辐射衰减途径，还通过多通道超快系间窜越(ISC)过程显著提升了三重态量子产率(图2)。值得注意的是，与IR780相比，SC780和SZ780的三重态吸收特征可以在更早的时间延迟下检测到。特别是在SZ780中，在激发后约10 ps内就可以观察到。实验结果表明，SZ780在近红外光激发下的三重态量子产率达到了18.9 %，几乎是单体染料IR780(2.1 %)的十倍，并且比H型堆积的二聚体SC780(6.7 %)高出近三倍。另一方面，在近红外区域探测到的SC780和SZ780的TA光谱清晰地表明了中间物种的出现，显示了对三重态形成的直接影响。
图3. 在DCM中在IR780(A)、SC780(B)和SZ780(C)的代表性波长处选择的动力学轨迹。DCM中IR780(D)、SC780(E)和SZ780(F)的拟议失活机制。
对于IR780，与其他菁染料类似，大多数激发态粒子可以通过非辐射途径衰变，如内转换或光异构化，与ISC通道竞争。对于SC780，尽管通过H聚集体的形成抑制了分子内扭转实现了三重态量子产率的提高，但H聚集体也导致部分激发态能量被捕获在准分子态，该激发态能量在FC区域附近有效产生，并可以675 ps的寿命衰变为基态。相比之下，在SZ780中可以直接观察到三重态的多通道产生。首先，由于SZ780中的螺环连接，通过限制分子内和分子间构象的自由度来抑制结构柔性，促进了ISC途径，与SC780中观察到的类似。其次，V型聚集的独特结构增加了有效的π-π堆叠距离，同时保持了激发态能量的离域。这与传统的平行堆叠模式不同，后者减轻了形成复合物的倾向，从而防止了激发态粒子弛豫到准分子态。最后，由于V聚集体结构诱导的激子态的出现，单重态和三重态之间的能隙减小，从而实现了新的超快ISC途径。
5. SZ780和SC780光动力疗法的体内外评价
SZ780在808 nm光照射下能够高效产生单线态氧，诱导癌细胞凋亡，展现出优异的光动力治疗效果(图4)。
图4. SC780和SZ780的体外光敏特性
研究团队通过体外和体内实验验证了SZ780的光动力治疗潜力，结果表明其在低浓度下即可显著抑制肿瘤生长(图5)。
图5. SC780和SZ780在Hela荷瘤BALB/c裸鼠体内的抗肿瘤作用。
6.结论
总之，我们提出了一种可行的策略，通过螺环连接构建V型堆积染料系统，以提高近红外激发下三重态产生的效率。这种方法有效地解决了近红外三重态染料开发中的关键限制。利用这一策略，设计并合成了SZ780，一种具有螺环连接的异庚烷菁，它表现出超快和多通道ISC过程，导致18.9%的高三重态量子产率。此外，还研究了具有传统H型堆积(SC780)的七甲川菁基体系。然而，由于结构自由度和准分子态作为能量陷阱的超快形成，这种策略被证明是无效的ISC。值得注意的是，SZ780在体外和体内均表现出显著的光疗效果，使其成为光动力治疗中极具前景的近红外光敏剂。我们的研究为获得高效的近红外三重态染料提供了一种直接有效的方法，具有巨大的应用潜力。
7.Ultrafast Systems光谱仪的应用与贡献：
高时间分辨率和宽光谱探测范围：本工作使用的Ultrafast Systems光谱仪展现出卓越的时间分辨能力，其仪器响应函数约120 fs，同时其光谱探测范围覆盖紫外波段至近红外波段。这一特性对于精准捕捉分子激发态演变过程至关重要。通过飞秒瞬态吸收光谱技术的应用，我们成功捕捉到了分子三重态生成过程，这一关键发现为分子光动力治疗提供了理论基础。
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