安徽大學Chem. Sci.：調整分子聚集模式調控系間竄躍揭示光誘導產生ROS機制

【導讀】

有機凝聚態與聚集體科學近年來受到研究者的廣泛關注，分子聚集模式對有機分子的光物理、光化學性質產生全方位的影響。其中，有機光敏劑（Photosensitizers, PSs）在水中形成納米組裝體，進而在光照下將周圍的底物（如O₂、H₂O等）轉化為活性氧物種（Reactive oxygen species, ROS），實現功能性應用。除了化學結構之外，聚集方式對這一過程也直接關聯這一過程。然而，如何精準聚焦聚集模式的影響、明晰內在關聯仍是一個難題。

【成果掠影】
為進一步解決上述難題，安徽大學周虹屏教授、余志鵬副教授團隊在前期結構式調控工作的基礎上（Small 2022, 18, 210485），構筑具有同一發色團的單邊分子（S-TPA-PI）和雙邊分子（S-2TPA-2PI）。研究結果表明，不同于單份散狀態（isolated state）與單邊分子聚集體（S-TPA-PI aggregates），雙邊分子在聚集狀態下（S-2TPA-2PI aggregates）具有更強的光誘導ROS產生能力。晶體數據顯示，單邊分子更傾向形成J聚集體，而雙邊分子則容易形成“尾-尾”堆積的聚集模式，表明“尾-尾”堆積可能更容易誘導分子產生ROS。為了驗證這一觀點，結合分子自身的結構特色（吡啶鹽為末端基團），團隊在ROS OFF的S-TPA-PI加入葫蘆[8]脲（cucurbit[8]uril, CB[8]），利用主-客體相互作用改變單體聚集模式，發現復合物S-TPA-PI@CB[8]具有較強的ROS釋放能力。借助飛秒（fs）瞬態吸收光譜、光電流和阻抗測試，結合密度泛函理論計算，團隊提出聚集方式的影響機制，即，“尾-尾”聚集體不僅有利于提高激子壽命（~500倍），同時也會增加系間竄躍速率。該研究為光動力治療和光催化領域的發展提供了一定指導意義。該論文以“Unveiling upsurge of photogenerated ROS: control of intersystem crossing through tuning aggregation patterns”為題發表在知名期刊Chem. Sci.上，安徽大學化學化工學院博士研究生王君君和安徽師范大學青年教師李浩博士為該論文共同第一作者，安徽大學為通訊單位，安徽師范大學陸洲教授團隊為超快光譜測試部分提供了強力支持。

【核心創新點]

為了更好聚焦聚集方式對光敏劑ROS釋放能力的影響，本文中，作者以單邊分子為模板，設計構建同源結構、不同聚集模式的雙邊分子，系統研究不同聚集模式與其光敏化性能間關系，提出“尾-尾”堆積模式有利于ROS生成，并利用超快光譜、理論計算等手段，探討內在機理。

【數據概覽】

方案圖1：分子設計思路示意圖

圖1：（a）分子結構模型圖；（b）單邊（S-TPA-PI, L-TPA-PI）和雙邊（S-2TPA-2PI, L-2TPA-2PI）分子結構式

圖2：S-TPA-PI和S-2TPA-2PI光物理、光化學性質

（a）單分散狀態下，歸一化紫外可見吸收和熒光光譜數據

（b）聚集狀態下，歸一化紫外可見吸收和熒光光譜數據

（c）S-2TPA-2PI的聚集誘導發光性質

（d）S-TPA-PI和S-2TPA-2PI聚集體的粒徑分布數據

（e）光誘導O₂^??的產生

（f）光誘導¹O₂的產生

圖3：（a，b，c）S-TPA-PI和（d，e，f）S-2TPA-2PI晶體學數據。（g）CB[8]組裝誘導的示意圖及（h）S-TPA-PI@CB[8]光誘導產生ROS。

圖4：S-TPA-PI和S-2TPA-2PI激發態行為研究

（a）單分子狀態下，S-TPA-PI的fs瞬態吸收光譜

（b）單分子狀態下，S-2TPA-2PI的fs瞬態吸收光譜

（c）（a）和（b）的擬合曲線

（d）聚集狀態下，S-TPA-PI的fs瞬態吸收光譜

（e）聚集狀態下，S-2TPA-2PI的fs瞬態吸收光譜

（f）（d）和（e）的擬合曲線

（g）理論計算數據

圖5：S-TPA-PI和S-2TPA-2PI在癌細胞光動力學中的應用

（a）光生ROS及其對癌細胞的抑制作用示意圖

（b）光生ROS誘導線粒體膜電位瓦解

（c）癌細胞中光生ROS的驗證

（d）癌細胞成活率

（e）癌細胞凋亡的評估

成果啟示

綜上所述，研究人員通過構建具有同源發色團的有機PSs，報道了不同聚集模式對ROS釋放的影響。二聚體S-2TPA-2PI與單體S-TPA-PI相比，由于其獨特的“尾對尾”聚集，延長了其激發態壽命（~500倍），并提高ISC速率常數。進一步，利用CB[8]調節單體S-TPA-PI的聚集模式，實現光下ROS增強，驗證了“尾對尾”聚集光生有利于ROS。此外，具有線粒體靶向能力的S-2TPA-2PI可引起線粒體自噬，從而對癌細胞產生明顯的抑制作用。這項工作不僅為有機聚集體在ISC相關的領域提供了新的見解，而且有利于高效PSs的開發。

文獻鏈接：

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