通过配体调控来调节单分子磁体的行为以及DyIII团簇的光动力抗菌性能

《Materials Today Chemistry》：Modulating single-molecule magnet behaviors and photodynamic antibacterial performance of DyIII clusters via ligand regulation

DyIII基单分子磁体通过配体设计调控磁学与光动力抗菌协同效应研究

　　本文探讨了基于 Dysprosium（镝）的单分子磁体（SMMs）的合成与表征，并进一步分析了其在生物传感、成像和治疗等领域的应用潜力。Dy3?离子因其较大的磁矩和强磁各向异性，被认为是构建高性能 SMMs 的理想选择。此外，由于镝离子的自旋轨道耦合特性，其基态为 Kramers 双重态（S = 5/2，L = 5，J = 15/2），这使得其在单分子磁体领域展现出独特的优势。

为了提升镝基单分子磁体的性能，研究人员通常通过调控配体结构来改变配位环境和配位场。本文中，作者采用了一种新的策略，即利用原位生成的 Schiff 基配体（H?L1 和 H?L2）合成两种镝基单分子磁体，分别为 [Dy?(NO?)?(HL1)?]·CH?CN（1）和 [Dy?(NO?)?(HL2)?]（2）。这两种磁体的金属骨架和配位环境基本一致，仅在配体的空间位阻方面有所差异。这种设计使得两种磁体在保持相似结构的同时，表现出不同的磁性能。

磁性测量结果显示，两种磁体在不同直流磁场下均表现出场诱导的单分子磁体行为。其中，磁体 1 在 1000 Oe 的磁场下，其有效能量壁垒（U_eff/k_B）为 35 cm?1，而磁体 2 在 600 Oe 的磁场下，有效能量壁垒达到 43 cm?1。这表明，通过调整配体结构可以有效调控磁体的磁性能，从而优化其在信息存储、量子计算等领域的应用前景。

除了在磁性方面表现出色，这两种磁体还展现出良好的抗菌活性。这一发现具有重要意义，因为它表明镝基单分子磁体不仅可以在磁性领域发挥作用，还可能在生物医学领域具有广泛应用潜力。目前，抗生素的耐药性和毒副作用已成为全球公共卫生问题，而基于光动力抗菌疗法（PDT）的新型抗菌材料正受到越来越多的关注。PDT 通过光敏剂在光照条件下生成高活性、低毒性的活性氧物种（ROS），从而实现对细菌的有效杀灭。

稀土离子簇在 PDT 领域也展现出应用前景。已有研究表明，Ln3?离子簇可用于光催化生成 ROS。例如，近年来有研究报道了 Ln-POMs 复合物在增强光动力杀菌中的应用。然而，关于 Ln3?离子簇在光催化生成 ROS 方面的研究仍较为有限，且配体结构对 ROS 生成性能的影响尚未被充分探讨。因此，如何进一步优化配体结构以实现高效的光动力抗菌性能，成为当前研究的重要课题。

本文的研究正是基于这一背景，通过设计不同的 Schiff 基配体，不仅优化了磁体的磁性能，还提升了其抗菌活性。这一结果表明，通过合理的配体设计，可以实现对磁性和抗菌性能的双重调控，从而开发出多功能的稀土基材料。这种材料在信息存储、生物医学和抗菌治疗等领域都具有广阔的应用前景。

此外，本文还通过 X 射线单晶衍射技术对两种磁体的结构进行了详细表征。X 射线数据的收集使用了配备石墨单色化 Mo Kα 辐射的 SuperNova CCD 型衍射仪，波长为 0.71073 ?。结构解析首先通过直接法利用 SHELXS 程序完成，随后采用 SHELXL 程序进行全矩阵最小二乘法优化。在优化过程中，所有 C、N、O 和 Dy 原子均能从差值傅里叶图中清晰识别，并进行各向异性精修。氢原子的坐标则通过几何约束方法进行建模和优化。

从结构分析来看，两种磁体具有相似的配位环境，但配体的空间位阻不同。这种差异导致了两种磁体在磁性能上的不同表现。例如，磁体 1 在 1000 Oe 的磁场下，表现出较低的有效能量壁垒，而磁体 2 在 600 Oe 的磁场下，表现出较高的有效能量壁垒。这表明，配体的空间位阻对磁体的磁性能具有重要影响，因此在设计单分子磁体时，应充分考虑配体结构对磁性能的调控作用。

在抗菌活性方面，初步研究表明，这两种磁体均表现出良好的抗菌效果。这表明，通过合理设计配体结构，不仅可以提升磁体的磁性能，还能增强其在生物医学领域的应用潜力。这种多功能材料的开发，将有助于解决当前抗生素耐药性和毒副作用带来的挑战，为新型抗菌材料的设计提供理论支持。

本文的研究成果表明，单分子磁体的磁性能和抗菌活性可以通过配体结构的调控实现同步优化。这不仅拓展了单分子磁体的应用范围，也为多功能材料的设计提供了新的思路。未来，进一步研究配体结构对磁性和抗菌性能的协同作用机制，将有助于更深入地理解稀土离子簇的结构-性能关系，为设计高性能的稀土基材料提供理论依据。

在实际应用中，这种多功能材料可以用于生物医学领域，如靶向药物输送、组织成像和疾病治疗等。同时，其在信息存储和量子计算等领域的应用也具有重要意义。通过结合磁性和抗菌功能，这种材料有望在多个领域发挥重要作用，推动多学科交叉研究的发展。

综上所述，本文的研究不仅为单分子磁体的合成与表征提供了新的方法，还揭示了配体结构对磁性和抗菌性能的调控机制。这种研究对于开发多功能的稀土基材料具有重要价值，也为未来的材料设计和应用提供了理论支持。通过进一步探索和优化配体结构，有望实现更高性能的单分子磁体和抗菌材料，推动相关领域的科技进步。