探秘酞菁 - 苯并咪唑光敏剂产单线态氧的能量传递机制：解锁光动力疗法新密码

为解决金属 - 酞菁 - 苯并咪唑化合物在光动力疗法（PDT）中电子结构变化及对单线态氧（1O2）形成影响不明的问题，研究人员用 QTAIM 研究其电子结构变化。结果表明内酞菁环的氮和碳原子是能量传递位点，对优化 PDT 有意义。

　　

在医学领域，光动力疗法（Photodynamic Therapy，PDT）如同一位 “神秘战士”，正在为攻克疾病难题努力奋战。它主要利用光敏剂（Photosensitizer，Ps）在光照下发生光化学反应，产生活性氧物种（Reactive Oxygen Species，ROS），以此来摧毁肿瘤细胞，为肿瘤治疗等疾病应用带来了新希望。在众多 ROS 中，单线态氧（¹O₂）因其强大的活性和细胞毒性，成为了 PDT 发挥疗效的关键 “武器”。然而，要让这把 “武器” 精准高效地发挥作用，光敏剂必须满足一系列严格的条件。

目前，酞菁类化合物作为第二代光敏剂，在 PDT 领域备受瞩目。它们不仅能强烈吸收 650 - 850nm 的光，具备良好的生物相容性，还能通过结构修饰优化光学和光物理性质。但酞菁类化合物也存在明显的 “短板”，其在水中溶解性差、易聚集，这大大降低了它们的光敏化能力，限制了在生理环境中的应用。尽管研究人员尝试了多种化学修饰策略来解决这些问题，可同时具备良好水溶性和高效¹O₂生成能力的酞菁类化合物依旧十分稀少。

更棘手的是，当金属 - 酞菁 - 苯并咪唑化合物被激发并发生系间窜越（Intersystem Crossing，ISC），在向氧气（O₂）传递能量生成¹O₂的过程中，光敏剂的电子结构究竟发生了怎样的变化，这些变化又如何影响¹O₂的形成，至今尚无定论。为了填补这一知识空白，来自国外的研究人员开展了一项极具价值的研究，相关成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》杂志上。

研究人员为了深入探究这一复杂的过程，运用了多种关键技术方法。首先，借助 Gaussview 6.0 程序构建了 M - Pc - Benzimidazole 分子（M = 2H、Zn (II)、Ga (III) Cl 和 In (III) Cl，分别标记为 H₂Pc、ZnPc、GaClPc 和 InClPc）的初始结构。接着，利用 Gaussian09 软件包，基于极化连续介质模型（Polarizable Continuum Model，PCM），以二甲基亚砜（Dimethyl Sulfoxide，DMSO）为溶剂，对光敏剂进行平衡几何优化和紫外 / 可见（Ultraviolet/Visible，UV/Vis）光谱计算。通过这些技术手段，获取研究所需的数据信息。

研究结果

1. QTAIM 分析：通过计算酞菁类化合物的 QTAIM 电荷，研究人员得以探究从单线态基态（S₀）到第一三线态激发态（T₁）自旋禁阻跃迁过程中，电子结构变化最大的原子。这些原子所在区域，很可能就是 T₁态前沿电子的大致位置。由于轨道相互作用在第二代光敏剂和 O₂的能量传递过程中至关重要，因此这些原子对能量传递意义重大。
2. 自旋密度分析：对光敏剂在最低三线态激发态的自旋密度进行仔细评估后发现，酞菁内环的氮原子，尤其是碳原子，被确定为能量传递的对接位点。这意味着在酞菁 - 苯并咪唑光敏剂产生单线态氧的过程中，这些原子发挥着关键作用。
3. 金属离子的影响：研究还发现，对于所考虑氧化态的金属（Zn (II)、Ga (III) 和 In (III)），金属酞菁的空间特征相似；而 H₂Pc 化合物在这方面则表现出一些细微差异。

研究结论与讨论

这项研究通过 QTAIM 分析和自旋密度评估，明确了酞菁 - 苯并咪唑光敏剂在能量传递生成单线态氧过程中的关键原子和空间因素。这一成果为深入理解光动力疗法的作用机制提供了重要理论依据，有助于指导设计更高效、更具针对性的光敏剂，推动光动力疗法在肿瘤治疗等医学领域的进一步发展和应用。研究揭示的电子结构变化与能量传递关系，也为相关领域的基础研究开辟了新方向，有望促进多学科交叉研究，为解决更多生命科学和健康医学问题提供新思路和方法。