上转换介导的近红外光驱动叶绿素衍生物光敏剂产生单线态氧的研究

《ChemistrySelect》：Upconversion-Mediated Near-Infrared Singlet Oxygen Generation Using a Chlorophyll-Derived Photosensitizer

　　

近红外（Near-infrared, NIR）驱动的光化学因其NIR辐照具有相对较深的组织穿透和较低的光损伤而在生物医学应用中颇具吸引力。然而，大多数传统分子光敏剂需要可见光激发。在此，研究人员通过将镧系上转换颗粒与源自螺旋藻（Spirulina）的叶绿素衍生物光敏剂——甲基脱镁叶绿酸-a（methyl pyropheophorbide-a, MPPa）相结合，展示了NIR诱导的单线态氧（singlet oxygen, ¹O₂）生成。六方相β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换颗粒将980 nm NIR光转换为可见发射，其中包括与MPPa的Q_y吸收带重叠的红色发射带。光致发光寿命测量以及观察到的光谱变化与MPPa对转换光子的辐射再吸收（radiative reabsorption）一致，而非主要非辐射能量转移。在直接红光激发下，MPPa的¹O₂量子产率估计为23.6%；而基于吸收光子校正和间接DPBF检测，上转换介导系统在980 nm辐照下的总体¹O₂量子产率估计为0.42%。此外，将MPPa和上转换颗粒掺入聚(ε-己内酯)（poly(ε-caprolactone), PCL）基质中，可在固态下实现NIR诱导的光敏氧化。这些发现证明了将镧系上转换与天然来源光敏剂偶联，以开发溶液和聚合物薄膜中NIR响应光化学材料的潜力。

近红外（NIR）光因组织穿透深、光损伤小，在光化学和生物医学应用中受到广泛关注。然而，绝大多数传统分子光敏剂仅能被紫外或可见光激发，难以直接利用NIR光。镧系掺杂上转换纳米颗粒（UCNPs）可将NIR光转换为可见光，为间接激活可见光响应光敏剂提供了有效途径。叶绿素衍生物如甲基脱镁叶绿酸-a（MPPa）可从螺旋藻等天然资源中低成本制备，其Q_y吸收带与Er³⁺基UCNPs的红色上转换发射相匹配。尽管已有大量UCNP辅助光敏化研究，但将天然来源光敏剂与UCNPs结合、定量评价单线态氧（¹O₂）生成并扩展到固态生物相容性基质的研究仍相对有限。本研究旨在构建β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ UCNPs与MPPa的复合体系，实现NIR驱动的¹O₂生成，并验证其在溶液和聚合物薄膜中的可行性。

研究人员合成了六方相β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换颗粒，并从螺旋藻中制备了叶绿素衍生物MPPa。通过光致发光光谱和寿命测量，证实MPPa通过辐射再吸收上转换光子而间接激发，而非主要依赖非辐射能量转移。在671 nm直接激发下，MPPa的¹O₂量子产率为23.6%；在980 nm激发下，UCNP–MPPa体系的总体¹O₂量子产率估计为0.42%。将MPPa和UCNPs掺入聚(ε-己内酯)（PCL）基质后，在固态下同样实现了NIR诱导的DPBF光氧化。这表明镧系上转换与天然光敏剂结合可望用于开发NIR响应的光化学材料。

关键技术与方法方面，UCNPs采用热分解法合成，稀土氧化物经三氟乙酸处理后在油酸/十八烯中于310°C反应制得。MPPa从购自DIC Lifetech Co., Ltd.的螺旋藻粉中提取叶绿素a，经脱金属、酯交换和脱羧步骤合成。结构表征包括扫描电子显微镜（SEM）、粉末X射线衍射（XRD）和ATR-FTIR。光物理性质通过紫外-可见吸收、稳态/瞬态荧光和绝对量子产率系统评估。¹O₂产生采用1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）间接检测，监测414 nm处吸光度衰减并拟合表观一级动力学。PCL复合膜通过溶液浇铸法制备。所有试剂均购自商业渠道。

研究结果如下。**2.1 β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换颗粒的结构与光学性质**：SEM显示所得UCNPs为六方棱柱形貌，平均宽度约400 nm、高度约200 nm。XRD谱图与六方β-NaYF₄（JCPDS No. 028-1192）一致。在980 nm激发下，观察到以545 nm和660 nm为中心的Er³⁺特征发射，绝对UC量子产率最高达5.2%。660 nm发射的上升时间和衰减寿命分别为0.36 ms和1.1 ms，显示长寿命Er³⁺激发态的形成。**2.2 使用叶绿素衍生物光敏剂与UCNPs的NIR光驱动单线态氧生成**。**2.2.1 使用叶绿素衍生物光敏剂的光动力治疗（PDT）**：该部分阐述了PDT机制，即光敏剂被激发至S₁态，经系间窜越（ISC）到达T₁态，再与基态氧（³O₂）作用产生¹O₂。传统光敏剂受可见光激发限制，而NIR可穿透至厘米级深度。MPPa可从螺旋藻低成本制备，结合UCNPs可望实现NIR激发。**2.2.2 MPPa的制备与光物理性质**：MPPa实验室合成原料成本约为每100 mg 30美元。MPPa在DMF中的吸收光谱显示约400 nm的Soret带和约660 nm的Q_y带，荧光峰位于约670 nm，绝对荧光量子产率为18.6%，荧光寿命为7.1 ns，均优于临床用光敏剂他拉泊芬钠（TS，分别为9.4%和4.6 ns）。计算表明MPPa具有更大的辐射速率常数和更小的非辐射速率常数，有利于后续光物理过程。**2.2.3 可见光激发下的单线态氧生成**：以亚甲基蓝（MB）为标准，采用DPBF间接测定¹O₂量子产率。在671 nm激发下，MPPa的DPBF降解速率常数为0.00210 s^?1，计算得Φ_Δ=23.6%，高于TS的14.4%。**2.2.4 通过上转换实现的NIR诱导单线态氧生成**：在980 nm激发下，UCNP–MPPa体系的UC发射光谱在MPPa吸收区出现相对强度下降和约670 nm肩峰，提示辐射再吸收。加入MPPa后UC发射寿命无明显变化，排除F?rster非辐射能量转移为主导。DPBF降解实验得到K=6.74×10^?5 s^?1，经吸收光子数校正后估计总体¹O₂量子产率为0.42%。对照实验显示单独组分对DPBF降解贡献很小，且MPPa在NIR照射60 min内无明显光漂白。**2.3 使用生物相容性聚合物薄膜构建NIR驱动的单线态氧生成系统**。**2.3.1 PCL复合薄膜的制备与光学性质**：以PCL为基质制备的透明薄膜中，MPPa的吸收和荧光光谱与溶液中基本一致，表明其光物理性质在固载后保持不变。**2.3.2 可见光和NIR照射下PCL薄膜中的单线态氧生成**：含MPPa的PCL膜在671 nm照射下产生DPBF降解，K=6.4×10^?5 s^?1；同时含MPPa和UCNPs的PCL膜在980 nm照射下也观察到DPBF降解，K=2.2×10^?4 s^?1，与直接可见光激发相当或略高，可能与NIR在膜内的传播特性有关。

讨论部分指出，UCNP–MPPa体系在NIR激发下的总体¹O₂量子产率较低，主要归因于UCNP的上转换量子产率（约2%）有限，且MPPa依赖再吸收上转换光子而间接激发，因此体系效率还受颗粒分散性和光捕获效率影响。由于使用DPBF间接检测，该量子产率应视为参考估计值而非绝对量子产率，并强调改善上转换发射、光子捕获以及颗粒与光敏剂之间耦合的重要性。研究结论为：研究人员开发了将β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换颗粒与叶绿素衍生物MPPa结合的NIR响应光敏化体系。光谱和寿命测量表明MPPa通过辐射再吸收被激发的机制。980 nm照射下，UCNP–MPPa体系表现出显著DPBF降解，支持上转换介导的光敏氧化；总体¹O₂量子产率估计为0.42%。将两者掺入PCL基质后，固态复合膜也实现了NIR诱导的DPBF降解。这些结果为结合镧系上转换和天然来源光敏剂的NIR响应光化学材料开发提供了基础。进一步优化上转换效率和直接鉴定生成的活性氧物种对评估其光化学和生物医学应用潜力至关重要。