Small:结合给体-受体结构和非平面构象实现有机小分子材料的高性能近红外光热和光动力效应

由于近红外光(NIR)具有高的穿透性、无侵入性的优点,材料学家已经开发出来了各种各样的近红外一区纳米材料,用于光动力治疗/光热治疗(PDT/PTT),这些材料包括碳纳米材料、有机小分子/高分子半导体、过渡金属化合物、金属纳米材料、黑磷和生物分子自组装材料等。与无机纳米材料相比,有机纳米材料具有吸收波长可调、生物降解性好、成本低、生物组织代谢快等优点。虽然共轭聚合物在该领域占主导地位,但是其合成和纯化相对困难,也存在着批次间的差异和质量控制的困难。相比于共轭聚合物,有机小分子具有明确的化学结构、高纯度、良好的再现性、易于修饰和加工等优点。虽然许多应用于808 纳米激光的PTT有机小分子纳米材料已经被报道,然而只有少数几个材料可以应用PDT。此外,NIR条件下PDT的作用机制尚不明确。

设计合成具有有效的系间窜越(ISC)的三重态材料是实现高效PDT的关键。根据微扰理论,ISC的速率常数(kISC)取决于两个重要参数,自旋轨道耦合(SOC)常数(ξ)和单线态和三线态之间的能隙(ΔEST)。大的ξ可以提高kISC。重原子效应是一种常见的方法来实现大的ξ,然而重原子对人类是有害的。同时,小ΔEST也有利于提高kISC。为了减小ΔEST,可以采取给体(D) 受体(A)结构与扭曲构象的策略。然而,构象扭转通常导致吸光蓝移和消光系数降低,难以实现808纳米激光下的强吸收。因此,设计非重原子的小分子高效近红外PTT/PDT纳米材料具有挑战性。

中国科学院大学材料科学与光电技术学院的黄辉教授和南京工业大学的张仕明教授开展合作,通过设计合成具有缺电子大π共轭核心和扭曲构象的小分子纳米材料,实现高效的近红外光热和光动力效应。通过在在有机小分子材料中引入大π-共轭缺电子单元和D-A结构,确保其在808纳米具有强吸收。通过引入D-A结构和扭曲构象,减小单线态和三线态之间的能隙(ΔEST),实现有效的系间窜越,提升PDT效应。同时,通过实验和理论证据对其机理进行了探讨,为设计高效的PDT/PTT小分子近红外材料提供了一种新策略。

相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000909)上,南京工业大学的硕士生(联合培养)陈静雅是论文的第一作者,中国科学院大学的博士生温凯凯是论文的共同第一作者。该研究项目得到了科技部重点研发计划,国家自然科学基金委和科学院相关经费的支持。