Chem. Sci.：操控热活化延迟荧光分子的激发态能量动力学平衡双光子纳米诊断与治疗

肿瘤诊断与治疗是当今临床医学和学术研究的核心热点，同时也面临巨大的挑战。如何整合诊疗一体化以及平衡“诊”与“疗”的内在关系是当前分子医学和材料科学领域潜在的科学问题。光动力治疗（PDT）作为一种副作用小，疗效显著的新型肿瘤治疗方法得到了广泛的认可。通常情况下，光敏剂分子在被外光源激发后，产生的单线态（S₁）激子必须充分转移到三线态（T₁）并与三线态的氧气作用产生单线态氧（¹O₂）杀死肿瘤细胞。而荧光成像技术需要光激发后产生的S₁激子能尽量多的以荧光形式回到基态（S₀）。显而易见，这两种光学性质存在一定程度的内在竞争关系。因此，如何通过分子设计实现单个光敏剂分子的氧气敏化能力与荧光强度的有效操控仍是个悬而未决的难题。

最近，香港城市大学化学系李振声（Chun-Sing LEE）教授（点击查看介绍）、李盛亮博士（点击查看介绍）与苏州大学功能纳米与软物质研究院的张晓宏教授（点击查看介绍）合作，提出了一种基于热活化延迟荧光（TADF）分子的新型双光子激发光敏剂的设计思路。通过调控分子结构的给体（D）片段，调节分子最高占据轨道（HOMO）和最低未占据轨道（LUMO）的重叠度，从而改变单线态-三线态的能级差（ΔE_ST）和振子强度（f ）。通过降低分子的ΔE_ST，激子易于经过系间窜跃（ISC）过程从S₁态窜跃到T₁态，有利于产生¹O₂，而增加f 值则有利于增强荧光发射强度。

该工作首先选用噻蒽 5,5,10,10-四氧化物作为共同的受体（A）片段，通过连接不同的给体（D）片段设计了两个TADF分子——PT和AT。相比于AT分子的吖啶基团，PT分子中的吩噁嗪基团有更强的给电子能力，可以降低分子HOMO和LUMO的重叠度，从而获得更小的ΔE_ST，有利于通过ISC过程产生¹O₂（2.7倍）。相反，AT分子的HOMO和LUMO轨道电子云有更大的重叠度，可以增加f 值，增大S₁激子衰减到S₀的几率，有利于荧光发射（6.3倍）。由于AT和PT分子的吸收峰位置位于可见光区，为了使激发光源具有更好的组织穿透深度，研究者使用双光子光源作为激发光源。相较于可见光，双光子的激发光源波长一般位于近红外区，可以显著的提高光线的组织穿透深度，有利于肿瘤深部的诊断与治疗。