唐本忠院士和丁丹教授团队最新JACS赏析：“反常规”策略——通过增强分子聚集态分子运动增强光热性能

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在肿瘤光热治疗领域，有机染料的常规设计原则是将强电子给体、强电子受体设计成平面共轭结构。其原理为：染料分子在聚集态（即纳米颗粒）时，分子间强相互作用限制分子运动从而增强非辐射跃迁，进而提高光热转化效率。但是这一策略有可能阻止其他非辐射跃迁方式，故有机材料的光热转化效率通常较低。近日，香港科技大学唐本忠院士与南开大学丁丹教授合作，提出一种“反常规”策略：增强分子聚集态分子运动增强光热性能。该设计思路是基于调控激发态分子内扭曲电荷转移（TICT）性质增强非辐射跃迁，进而提高光热转化。相关成果以”Molecular motion in aggregates: adjusting TICT for boosting photothermal theranostics”为题发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.8b13889）。

图1. 分子设计及调控TICT增强光热转化示意图

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

分子内扭曲电荷转移（TICT），是一种在给、受体共轭分子中常见的光物理现象。当分子被光激发时，激发态分子在极性条件诱导下进入TICT态，而TICT态返回到基态主要是以非辐射跃迁形式。因此，课题组用增强TICT性质的方法来提高光热性质。但是有机分子在聚集态时分子运动受限，这大大阻碍了TICT态的形成（TICT态形成的前提条件是分子运动）。另一方面，课题组在2001年首次提出了聚集诱导发光（AIE）概念：荧光分子在溶解状态下不发光，但在聚集态时由于分子运动受限而强烈发光。TICT与AIE这两种现象似乎存在矛盾：在聚集态下，TICT态由于分子运动受限无法形成，而AIE却由此获益，强烈发光。但是，课题组注意到向聚集态AIE分子中加入良溶剂时，荧光会由于分子运动被激活而逐渐淬灭（AIE的逆过程）。因此，如果让染料分子在聚集态时分子运动，一方面可以提高TICT性质，增强非辐射跃迁；另一方面还可以淬灭荧光，从而有更多的能量用于产热。所以，课题组提出了一种新策略：聚集态分子运动，将TICT性质与AIE逆过程进行有机结合。将分子转子和支化长烷基链引入染料分子主干中，所得分子的光热转化效率显著提高（图1）。

图2. 分子光物理及光热性质

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者选用苯并双噻二唑（BBT）为强电子受体，噻吩（T）为电子给体，三苯胺（TPA）既作为电子给体又作为分子转子，支化长烷基链位于噻吩单元上。支化长烷基链的存在对TICT性质的调节起到至关重要作用。在溶液态下，长烷基链有助于分子扭曲，其更有利于TICT态的形成。在聚集态下，烷基链的支化作用可以有效减弱分子间强相互作用，给分子内旋转提供空间，因而有利于TICT态的形成，从而增强了非辐射跃迁和光热转化效率。值得注意的是，支化烷基链的支化点最好位于第二个碳。如果位于第一个碳，位阻过大，则容易发射荧光；如果没有支化，则不能有效阻止分子间相互作用，达不到光热效率增强的目的。综上所述，通过一系列表征（吸收/发射光谱、溶剂化效应、聚集态发射、相对量子效率、X射线衍射、光热转化效率等），作者发现染料分子NIRb14（含2-癸基十四烷基团）具有最好的光热效果（图2）。

图3. NIRb14分子的光热转化性能

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

由图3可以看出，相对于直链分子NIR6、金纳米棒（GNR），NIRb14具有更好的光热转化性能，其光热转化效率（31.2%）显著高于NIR6（22.6%）和GNR（20.7%），且具有良好的热稳定性。

图4. pH响应NIRb14-PAE/PEG纳米颗粒

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

尽管现在有了性质优良的光热转化剂（NIRb14），但如果不能有效将其运送至肿瘤位置，仍达不到治疗的目的。为解决这一问题，作者利用了一种pH响应聚合物（PAE-b-PEG），该聚合物在血液环境中（pH=7.4）不带电荷，并且由于表面相分离可以增强血液循环时间。当pH响应纳米粒子（NIRb14-PAE/PEG）通过被动运输到达肿瘤部位时（pH=6.5），聚合物被质子化而带正电荷，从而增强了肿瘤部位的富集，达到提高治疗效果的目的（图4）。

图5. 体内外光声实验对比

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

紧接着，作者对NIRb14-PAE/PEG进行体内外光声成像（图5）。结果表明，NIRb14-PAE/PEG在小鼠肿瘤部位聚集明显增强，且在体内循环时间增长。

图6. 小鼠肿瘤光热治疗效果

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者对小鼠进行光声指导的光热治疗（图6）。相对于对照组（生理盐水及PEG包裹纳米颗粒），NIRb14-PAE/PEG纳米颗粒在肿瘤部位产生更高的温度，且对肿瘤生长有明显的抑制作用。

作者提出一种分子激发态调控增强光热效果的新方法。该方法对设计新型高光热性能的共轭小分子及聚合物有一定的帮助。该工作的第一作者为香港科技大学刘顺杰博士，南开大学的周鑫博士为论文的共同第一作者。通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和南开大学丁丹教授、史林启教授。该工作也得到了香港科技大学张浩可博士在理论计算方面的帮助。pH响应聚合物得到了南开大学欧翰林博士、刘阳博士的帮助。该研究得到国家自然科学基金以及香港ITC、RGC及华南理工大学发光器件国家重点实验室开放基金等的支持。