溶液和聚集体中的高效圆偏振近红外磷光

文献摘要：作者研究了一对手性对映体，R-和S-BBTI，具有高度扭曲的螺旋环锁杂芳香与重碘原子。这些手性分子具有较大的不对称因子（0.013），在紫外激发的二甲亚砜溶液中以4.2%的效率和119 μs的寿命发射近红外CPP。晶体具有7.0%量子效率和166 μs寿命的高效CPP。实验热学研究结合理论计算揭示了一个有效的自旋翻转过程，该过程可以调节电子和磁跃迁偶极矩以提高CPP的性能。此外，R/S-BBTI的磷光在二甲亚砜中具有氧敏性和光活化性。因此，R/S-BBTI可用于细胞和肿瘤的缺氧成像，扩大了CPP材料的应用范围。

相关研究成果：Dan Liu, Wen-Jin Wang, Parvej Alam, Zhan Yang, Kaiwen Wu, Lixun Zhu, Yu Xiong, Shuai Chang, Yong Liu, Bo Wu, Qian Wu, Zijie Qiu, Zheng Zhao, Ben Zhong Tang.Highly efficient circularly polarized near-infrared phosphorescence in both solution and aggregate[J].Nature Photonics 2024-09-30 , DOI: 10.1038/s41566-024-01538-4.

       虽然在开发具有高效率和颜色可调性的有机RTP材料方面取得了显着进展，但实现高效的近红外（NIR）磷光仍然是一个主要挑战。降低三重态能量的策略通常会导致非辐射衰变的增加和量子产率的降低。合理设计激发态动力学以实现近红外三重态发射，同时减轻非辐射衰减是一个突出的挑战。通过将手性引入RTP材料，可以预期具有不平衡左右圆偏振光的圆偏振磷光（CPP），为尖端应用（如对映选择性传感，高级安全加密，三维显示，高对比度生物成像和节能光电器件）提供机会。然而，构建CPP材料需要精细控制高磷光效率（Φp），长寿命（τp）和大不对称因子（gphos）。限制分子内/分子间运动（RIM）是抑制非辐射衰变过程的结构描述，也是在晶体、掺杂基质或聚合物中实现高效CPP的设计原则之一。

       传统芳香族化合物在光电应用中的早期研究已经验证了锁环工程带来的发光增强。通过不对称环锁结合手性元素，可以控制分子的三维几何形状和限制分子状态下的旋转自由，同时赋予独特的手性。例如，Zheng等报道了四苯基乙烯四环由于苯环的旋转固定，在溶液中可以发出强烈的荧光，也获得了四苯基乙烯四环的螺旋桨状结构具有稳定的螺旋手性。因此，环锁工程是发展非状态CPP的一种潜在策略。将环锁工程与其他加速系统间交叉（ISC）的策略（如电荷转移（CT）特性、重原子效应和孤对电子结合）相结合，可以设想高性能的NIR-CPP材料。

       在这项工作中，作者合成了两个新的轴手性苯并噻唑衍生物，R-和s -联萘基苯并噻唑二唑（R-和S-BBT）和碘取代的R-和s -联萘基苯并噻唑碘化物（R-和S-BBTI），以研究NIR-CPP的机理。联萘酚部分引入了轴向手性和供体-受体（D-A）特性，这有助于圆偏振发光（CPL）和向近红外发射的转移。此外，R/S-BBTI中的碘取代基由于重原子效应进一步提高了ISC（图1）。NIR-CPP在溶液态和聚合态下的效率均高达7.0%。值得注意的是，快速ISC之后的自旋翻转过程改变了跃迁偶极矩的方向和大小，导致手性反转和不对称因子的放大。利用其磷光的氧敏感性和光活化特性，R/S-BBTI利用氧依赖性磷光信号在细胞和肿瘤模型中实现了缺氧成像。

       R/S- bbt和R/S- bbti分别由对映体纯（R/S）(+/−)-1,1′-双（2-萘酚）与2FBT和5,6-二氟-4,7-二碘苯并[c][1,2,5]噻二唑一步缩合而成。R/S-BBT和R/S-BBTI经柱层析和多次重结晶纯化。所有化合物均通过1h NMR， 13C NMR，高分辨率质谱和高效液相色谱进行了充分的表征，以确保其高纯度。2FBT的晶体数据来自剑桥晶体数据中心（CCDC编号1862923）。R- bbt和R/S-BBTI晶体通过溶剂蒸发成功生长，并通过x射线晶体学进行了分析（图2a）。与2FBT单晶表现出强烈的π-π相互作用相比，R- bbt和R/S-BBTI由于其高度扭曲的螺旋构象而在其晶体填料中没有表现出这种相互作用。对于R-BBT，填料分析显示只有弱C···C；C··H， O··H和H··H相互作用。同样，R-BBTI的扭曲构象导致弱的I··H、N··C、S··C和I··C相互作用（图2a）。这些相互作用共同抑制晶体中的分子运动，提高磷光效率。这是由于R- bbt和R/S-BBTI的高度扭曲的螺旋结构。R-BBTI和S-BBTI对映体排列在P21的手性正交空间群中，Flack参数分别为- 0.0063和0.0320，证实了它们的绝对轴向手性结构。

       通常，有机RTP现象在很大程度上依赖于晶体状态或掺杂固体膜中分子运动的限制。因此，作者首先在2FBT、R/S-BBT和R/S-BBTI的晶体状态下进行了详细的光物理研究（图2b）。2FBT和R/S-BBT晶体的稳态光致发光（PL）光谱分别在392和440 nm处显示蓝色发射，而它们在1 ms后的延迟态PL光谱在587和640 nm处显示红色到近红外发射（图2c，d）。对于R/S-BBTI晶体，稳态和延迟态光谱均显示出约650 nm的优势近红外发射带，与2FBT和R/S-BBT的延迟峰相比，由于共轭、D-A性质和重原子效应的增加而红移。发射寿命测量进一步证实了这两个峰的自旋态。2FBT、R-BBT和R-BBTI在短波长的寿命分别为0.6、0.7和1.0 ns。相比之下，它们在较长波长的寿命分别为216、65和163 μs。总光致发光量子产率从0.9% （2FBT）逐渐增加到4.3% （R-BBT）和7.0% （R-BBTI）。ISC率也从3.3 × 106 （2FBT）提高到4.3 × 106 （R-BBT）和7.0 × 106 (R-BBTI)。

       在不同溶剂中，R/S-BBTI稀溶液在~450 nm和~640 nm处观察到双发射峰（图3a）。640nm处的近红外发射峰与固态时的磷光峰相匹配，表明R/S-BBTI在稀溶液中也能发出磷光。为了验证640nm发射的性质，作者测量了R/S-BBTI在甲苯和N，N-二甲基甲酰胺中脱氧前后的PL光谱（图3b）。脱氧后的近红外发射明显增强，表明R/S-BBTI是氧敏感探针，其640 nm波段为磷光。在不同的水和四氢呋喃（THF）混合物中进行的额外PL测量表明，在90%水分数下，640 nm波段的PL增强归因于聚集，其中RIM起了关键作用。此外，这些聚集体的形成阻止了氧对三重态的猝灭，导致PL的总体增加。在团聚体中，PL增强是RIM和防止团聚体排放中的氧猝灭的协同作用。此外，温度相关的PL光谱显示，640nm处的发射强度随着温度的升高而逐渐降低（图3c）。在THF溶液中，R/S-BBTI在650 nm处的发射寿命从477 μs （80 K）降至38 μs (300 K)（图3c）。这些实验结果为R/S-BBTI在溶液中显著的RTP现象提供了明确的证据。目前很少观察到溶液近红外磷光，这可以归因于分子设计和增强的自旋轨道耦合（SOC），这有利于ISC，使溶液中出现磷光。

       在轴向手性条件下，利用圆二色性（CD）和CPL光谱研究了对映纯R/S-BBT和R/S-BBTI在溶液状态下的手性。对映体的CD光谱表现出良好的镜像，在200 ~ 500 nm范围内交替出现正、负棉花效应（图3d）。在THF溶液中观察到R/S-BBTI明显的镜像CPL分布（图3e）。R/S-BBTI的CPL光谱不仅显示蓝色发射，而且显示640 nm的长波近红外发射。在四氢呋喃溶液中，相应的发射最大值为±0.007。在甲苯溶液中也实现了类似的双重排放。在图3f中，甲苯在640nm处的近红外发射在脱氧后显著增强，验证了其磷光性质。值得注意的是，在相同条件下，CPP表现出倒置的CPL信号和放大强度约为圆偏振荧光（CPF）的两到三倍。

       通过理论计算了解溶液中NIR-CPP的异常情况（图4）。如图4a所示，2FBT在激发单重态（S1）和三重态（T1）状态下都表现出局部激发特性。然而，具有高度扭曲D-A结构的R/S-BBT和R/S-BBTI在S1态表现出CT特征，在T1态表现出局部激发特征，同时激发单线态和三重态能级降低（图4a）。与2FBT和R/S-BBT相比，R/S-BBTI在S1态的n轨道贡献更大，为35.4%。除ISC外，受能隙定律支配、以激振耦合为特征的三态激发态（T1）的振动弛豫也对近红外磷光效率产生了深远的影响。为了研究激发过程中分子构型的变化，作者计算了重组能和均方根偏差（rmsd）值（图4b）。R/S-BBTI的基态（蓝色）和激发态（红色）几何形状在气相中几乎相同；相对均方根偏差较小，分别为0.119 Å （S0 vs . S1）和0.039 Å （S0 vs . T1） 33。利用作者自己的n层集成分子轨道和分子力学（ONIOM）模型，分析了晶体中的激发过程，结果表明，rm.s.d.值略有降低，分别为0.078 Å （S0 vs . S1）和0.033 Å （S0 vs . T1），并且具有完美的几何重叠。这些计算结果表明，两种状态下的分子构型具有不同的刚性，晶体比气体分子更刚性，并且在分子内运动中具有不同程度的限制。气相和晶相中相似的总重组能（λ）值也在定量上支持了上述结果。λ主要来源于高频区的变化。键长贡献超过87%，但二面角几乎没有变化，说明主要运动方式是芳环的拉伸振动。

       为了阐明NIR-CPP的机理及其关键影响因素，作者计算了S1-S0和T1-S0跃迁的跃迁密度、跃迁磁(m)和电子偶极矩（μ）（图4c、d）。计算详情载于补充资料。在R/S-BBT和R/S-BBTI中，由于分子结构高度扭曲，m和μ在S1-S0跃迁过程中取向垂直。因此，CPF的排放量几乎可以忽略不计。然而，在ISC过程中，由于电子自旋翻转和轨道角动量的变化，m和μ的取向发生了明显的变化。同时，在T1-S0跃迁过程中，m在重原子效应下比R/S-BBT提高了200倍。方向的改变和m的增大解释了gphos对于R/S-BBTI的高实验值。跃迁密度可以更直观地理解μ和m之间的差异。对于S1-S0跃迁，最小的跃迁轨道重叠只发生在高扭转的八元环附近。R/S-BBTI表现出从二苯萘到苯并噻二唑的放射CT转变过程。相比之下，广泛的跃迁密度被定位在T1-S0跃迁的苯并噻唑单元上，从而实现了重要的跃迁偶极矩。这些结果证明了自旋翻转在调节三重态跃迁偶极矩的方向和大小方面的作用，这对CPP发射有很大的影响。扩展的离域和高扭曲刚性结构使高性能CPP发射器成为可能。

       在R/S-BBT和R/S-BBTI不同时间的紫外光照射下，用于所有ROS检测的二氯二氢荧光素二乙酸酯、用于O2−•检测的二氢膦胺123和用于•OH检测的羟基荧光素的发光强度均显著增加。然而，作为单线态氧（1O2）检测指标的9,10-蒽二基-双（甲基）二丙二酸的吸光度几乎保持不变。电子自旋共振谱显示，在S-BBTI体系中形成了5,5-二甲基-1-吡啶n -氧化物（DMPO）自由基加合物DMPO - OH和DMPO - oo，证实了O2−•和•OH的存在，但在紫外光照射下，R/S-BBTI DMSO溶液中没有1 O2（图5e）。因此，这些结果表明，CPP材料通过涉及O2−•和•OH的I型机制产生ROS（图5f） 。随后，DMSO溶液反应产生MSM，逐渐形成局部缺氧微环境，激活磷光。

       R/S-BBTI具有优异的氧敏感性，有望成为一种极具前景的低氧生物成像材料。用S-BBTI孵育HeLa细胞，在不同氧浓度下用共聚焦显微镜成像。正如预期的那样，染色的细胞在空气中表现出可忽略不计的磷光。然而，当HeLa细胞在低氧条件下（2% O2）孵育时，观察到磷光明显增加。紫外光照射后观察到明显的光活化磷光（图6a）。此外，采用自下而上的方法制备含有1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺- n-[氨基（聚乙二醇）-2000]（DSPE-PEG(2000)）的S-BBTI NPs，构建HeLa细胞异种移植小鼠模型，并在规定的时间间隔内静脉注射S-BBTI NPs（图6b-f）。然后将肿瘤和其他器官收集在厌氧手套箱中，并在390 nm激发下成像。图6e的结果显示，离体缺氧肿瘤的磷光持续时间长达72 h，可能是由于增强的渗透性和滞留效应。此外，磷光强度显示肿瘤内氧分布不均，核心区磷光明显强于外围区，提示中心缺氧较多。给药12小时后，观察到部分纳米颗粒在小鼠器官（如肝脏和肺）中的分布。然而，24小时后没有检测到明显的磷光，可能归因于EPR效应。这些结果表明，S-BBTI可以在体内可视化肿瘤缺氧区。通过使用双折射四分之一波片和线性偏振器将CPL转换为线偏振光，已经证明了发射中的手性图像对比度，这很大程度上取决于设备设置。虽然R/S-BBTI的近红外发射、氧敏感特性和CPP特性对这种CPL成像应用前景看好，但在细胞或体内水平上实现它仍然是一个很大的挑战。这一应用将在未来的研究中进一步探索。

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