安徽大学Chem. Sci.：调整分子聚集模式调控系间窜跃揭示光诱导产生ROS机制

【导读】

有机凝聚态与聚集体科学近年来受到研究者的广泛关注，分子聚集模式对有机分子的光物理、光化学性质产生全方位的影响。其中，有机光敏剂（Photosensitizers, PSs）在水中形成纳米组装体，进而在光照下将周围的底物（如O₂、H₂O等）转化为活性氧物种（Reactive oxygen species, ROS），实现功能性应用。除了化学结构之外，聚集方式对这一过程也直接关联这一过程。然而，如何精准聚焦聚集模式的影响、明晰内在关联仍是一个难题。

【成果掠影】
为进一步解决上述难题，安徽大学周虹屏教授、余志鹏副教授团队在前期结构式调控工作的基础上（Small 2022, 18, 210485），构筑具有同一发色团的单边分子（S-TPA-PI）和双边分子（S-2TPA-2PI）。研究结果表明，不同于单份散状态（isolated state）与单边分子聚集体（S-TPA-PI aggregates），双边分子在聚集状态下（S-2TPA-2PI aggregates）具有更强的光诱导ROS产生能力。晶体数据显示，单边分子更倾向形成J聚集体，而双边分子则容易形成“尾-尾”堆积的聚集模式，表明“尾-尾”堆积可能更容易诱导分子产生ROS。为了验证这一观点，结合分子自身的结构特色（吡啶盐为末端基团），团队在ROS OFF的S-TPA-PI加入葫芦[8]脲（cucurbit[8]uril, CB[8]），利用主-客体相互作用改变单体聚集模式，发现复合物S-TPA-PI@CB[8]具有较强的ROS释放能力。借助飞秒（fs）瞬态吸收光谱、光电流和阻抗测试，结合密度泛函理论计算，团队提出聚集方式的影响机制，即，“尾-尾”聚集体不仅有利于提高激子寿命（~500倍），同时也会增加系间窜跃速率。该研究为光动力治疗和光催化领域的发展提供了一定指导意义。该论文以“Unveiling upsurge of photogenerated ROS: control of intersystem crossing through tuning aggregation patterns”为题发表在知名期刊Chem. Sci.上，安徽大学化学化工学院博士研究生王君君和安徽师范大学青年教师李浩博士为该论文共同第一作者，安徽大学为通讯单位，安徽师范大学陆洲教授团队为超快光谱测试部分提供了强力支持。

【核心创新点]

为了更好聚焦聚集方式对光敏剂ROS释放能力的影响，本文中，作者以单边分子为模板，设计构建同源结构、不同聚集模式的双边分子，系统研究不同聚集模式与其光敏化性能间关系，提出“尾-尾”堆积模式有利于ROS生成，并利用超快光谱、理论计算等手段，探讨内在机理。

【数据概览】

方案图1：分子设计思路示意图

图1：（a）分子结构模型图；（b）单边（S-TPA-PI, L-TPA-PI）和双边（S-2TPA-2PI, L-2TPA-2PI）分子结构式

图2：S-TPA-PI和S-2TPA-2PI光物理、光化学性质

（a）单分散状态下，归一化紫外可见吸收和荧光光谱数据

（b）聚集状态下，归一化紫外可见吸收和荧光光谱数据

（c）S-2TPA-2PI的聚集诱导发光性质

（d）S-TPA-PI和S-2TPA-2PI聚集体的粒径分布数据

（e）光诱导O₂^−•的产生

（f）光诱导¹O₂的产生

图3：（a，b，c）S-TPA-PI和（d，e，f）S-2TPA-2PI晶体学数据。（g）CB[8]组装诱导的示意图及（h）S-TPA-PI@CB[8]光诱导产生ROS。

图4：S-TPA-PI和S-2TPA-2PI激发态行为研究

（a）单分子状态下，S-TPA-PI的fs瞬态吸收光谱

（b）单分子状态下，S-2TPA-2PI的fs瞬态吸收光谱

（c）（a）和（b）的拟合曲线

（d）聚集状态下，S-TPA-PI的fs瞬态吸收光谱

（e）聚集状态下，S-2TPA-2PI的fs瞬态吸收光谱

（f）（d）和（e）的拟合曲线

（g）理论计算数据

图5：S-TPA-PI和S-2TPA-2PI在癌细胞光动力学中的应用

（a）光生ROS及其对癌细胞的抑制作用示意图

（b）光生ROS诱导线粒体膜电位瓦解

（c）癌细胞中光生ROS的验证

（d）癌细胞成活率

（e）癌细胞凋亡的评估

成果启示

综上所述，研究人员通过构建具有同源发色团的有机PSs，报道了不同聚集模式对ROS释放的影响。二聚体S-2TPA-2PI与单体S-TPA-PI相比，由于其独特的“尾对尾”聚集，延长了其激发态寿命（~500倍），并提高ISC速率常数。进一步，利用CB[8]调节单体S-TPA-PI的聚集模式，实现光下ROS增强，验证了“尾对尾”聚集光生有利于ROS。此外，具有线粒体靶向能力的S-2TPA-2PI可引起线粒体自噬，从而对癌细胞产生明显的抑制作用。这项工作不仅为有机聚集体在ISC相关的领域提供了新的见解，而且有利于高效PSs的开发。

文献链接：

Unveiling upsurge of photogenerated ROS: control of intersystem crossing through tuning aggregation patterns (Chem. Sci., 2023, 14, 323-330)