双模式光敏剂：碘化噻吩基偶氮-BODIPY，在单光子及双光子激发下均能高效产生单线态氧

《Dyes and Pigments》：Dual-Mode Photosensitizers: Iodinated Thienyl-Aza-BODIPYs with High Singlet Oxygen Generation under One- and Two-Photon Excitation

单线态氧生成与双光子吸收协同增强的近红外光敏剂研究

　　本文主要探讨了三种新型的O-己基取代的氮杂硼氧二吡咯甲烷（aza-BODIPY）化合物的合成、光物理性质、双光子吸收（TPA）以及单线态氧（1O?）生成特性。这些化合物被设计成具有特定电子结构，以促进其在红光和近红外（NIR）区域的光学活性。研究重点在于通过碘原子的引入，增强其非辐射跃迁过程和分子间系间窜越（ISC），从而提高1O?生成效率。同时，O-己基链的引入改善了这些化合物在脂溶性环境中的溶解性和稳定性，防止了分子间的π-π堆叠，从而减少聚集引起的荧光淬灭，保持其光物理性能。通过实验与计算结合，研究团队系统地评估了这些化合物在不同溶剂中的吸收和发射特性，并探讨了其在双光子激发下的1O?生成能力。

### 光物理特性与吸收发射光谱

所有化合物在溶液中均表现出在702至732纳米范围内的吸收峰，并且具有非常高的摩尔消光系数（ε），达到10? M?1 cm?1级别。例如，在氯仿（CHCl?）中，AZB-4、AZB-MY和AZB-DY-硫醇的吸收峰分别位于719、704和713纳米，对应的摩尔消光系数分别为84801、86120和51750 M?1 cm?1。这些化合物的吸收带宽非常狭窄，约为1100 cm?1，表明其具有良好的光谱选择性。此外，这些化合物在NIR区域表现出较强的荧光发射，发射峰主要集中在750纳米左右，且在不同溶剂中表现出较小的溶剂效应，说明其分子内的电荷转移（ICT）特性相对温和。

### 荧光寿命与非辐射跃迁

通过时间相关单光子计数（TCSPC）方法，研究团队测量了这些化合物的荧光寿命，并发现其随着碘原子的引入而显著下降。例如，在氯仿中，AZB-4的荧光寿命为2.03纳秒，而AZB-MY和AZB-DY-硫醇分别为1.25和0.78纳秒。这一现象表明，碘原子的引入促进了非辐射跃迁，如分子间系间窜越（ISC）和内部转换（IC），从而加速了荧光的淬灭过程。尽管如此，AZB-4的荧光量子产率仍保持较高水平，约为0.094，而AZB-MY和AZB-DY-硫醇的荧光量子产率则分别下降至0.0072和0.0038，这可能是由于碘原子的引入降低了分子的辐射效率。

### 计算研究与电子结构

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队进一步分析了这些化合物的电子结构。计算结果显示，AZB-4的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）在氯仿溶剂中分别位于-5.24 eV和-3.43 eV，这导致其光学带隙（Eg）为1.81 eV。引入碘原子后，AZB-MY的LUMO能量降低了，而HOMO能量也有所变化，导致其光学带隙增加至1.90 eV。相比之下，AZB-DY-硫醇的带隙略有减小，为1.87 eV。这些变化表明，碘原子的引入对分子的电子结构产生了显著影响，从而影响其光物理性质和1O?生成效率。

### 非线性光学性质与双光子吸收

研究团队还评估了这些aza-BODIPY化合物在NIR-I波段的非线性光学性质，特别是在双光子吸收（TPA）方面。通过与罗丹明6G（Rhodamine 6G）的对比实验，他们发现碘原子的引入显著增强了TPA交叉截面。例如，在900纳米波长下，AZB-DY-硫醇的TPA交叉截面达到约35 GM，这表明其在NIR区域具有较强的非线性光学响应。然而，尽管TPA交叉截面较高，1O?生成效率却受到分子结构的影响。在双光子激发下，AZB-DY-硫醇在240秒内实现了68%的DPBF降解，显示出其作为光敏剂的潜力。

### 单线态氧生成实验

为了进一步验证这些化合物作为光敏剂的性能，研究团队进行了1O?生成实验。通过监测DPBF的光氧化降解，他们发现AZB-MY在单光子激发下具有最高的1O?生成效率，达到61%。相比之下，AZB-DY-硫醇的1O?生成效率较低，仅为18%。这一结果表明，碘原子的引入虽然有助于提高ISC效率，但其在分子外围的引入可能抑制了1O?生成过程。此外，研究还发现，尽管AZB-DY-硫醇的TPA交叉截面较低，但其在双光子激发下仍能有效生成1O?，显示出其在非线性光动力治疗（PDT）中的应用潜力。

### 分子设计与功能优化

这些aza-BODIPY化合物的设计旨在实现多个功能的平衡：在红光和NIR-I区域的吸收能力、良好的溶剂化性能、高光稳定性以及高效的1O?生成能力。通过引入O-己基链，研究团队提高了这些化合物在脂溶性溶剂中的溶解性，并减少了分子间的聚集效应。此外，碘原子的引入不仅增强了分子的非辐射跃迁过程，还优化了其在双光子激发下的光物理性能。这些设计策略使得这些化合物在PDT中具有广泛的应用前景，尤其是在需要深层组织穿透和高空间分辨率的治疗场景中。

### 应用前景与未来研究方向

这些新型aza-BODIPY化合物在光动力治疗中的应用前景广阔。它们能够在红光和NIR-I波段实现高效的1O?生成，从而对癌细胞产生显著的光毒性作用。此外，由于其在双光子激发下的良好性能，这些化合物有望在需要更深层组织穿透的光治疗应用中发挥作用。然而，目前的研究仍存在一些局限，例如在更长波长下的TPA性能尚未完全探索，以及不同取代模式对1O?生成效率的具体影响仍需进一步研究。未来的工作可以集中在优化分子结构，以提高其在不同溶剂中的稳定性和1O?生成效率，同时探索其在生物系统中的实际应用潜力。

### 总结

综上所述，这项研究为开发新型光敏剂提供了重要的理论和实验依据。通过合理的分子设计和功能化修饰，研究团队成功合成并表征了一系列具有优异光物理性能的aza-BODIPY化合物。这些化合物不仅在红光和NIR-I区域表现出良好的吸收和发射特性，而且在双光子激发下也能有效生成1O?，显示出其在光动力治疗中的巨大潜力。未来，随着对这些化合物的进一步研究和优化，它们有望在临床治疗和生物成像等领域发挥重要作用。