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北京理工大学张金凤《Adv. Sci.》综述:热活化延迟荧光(TADF)材料 - 一类新兴的无金属发光材料在生物医学领域中的应用

化学与材料科学 化学与材料科学 2022-09-08

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开发简单、高效、安全性好的发光材料对生物材料的临床转化具有重要意义。近年来,具有极小的单重态-三重态能级差(ΔEST)的热活化延迟荧光(Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF)材料,通过反向系间窜越(RISC)实现了理论上100%的内量子效率,被认为是最有前途的第三代有机发光材料。由于其独特的光物理性质、灵活的结构可调性、良好的生物相容性以及生产成本低等优势,无金属的TADF材料在生物医学领域包括常规荧光成像、时间分辨成像、生物传感以及光动力治疗方面展现出巨大潜力。


近日,北京理工大学张金凤研究员在材料领域顶级学术期刊《Advanced Science》上发表了题为“Thermally Activated Delayed Fluorescence Material: An Emerging Class of Metal-Free Luminophores for Biomedical Applications”的综述(DOI: 10.1002/advs.202102970),其第一作者为北京理工大学博士生方芳。该综述着重对TADF材料在生物医学领域的最新研究进展进行了总结。首先,该文简述了TADF材料的主要发展(包括光电子学、生物成像、生物传感器及纳米医学);随后,简要介绍了TADF材料生物医学应用的主要分子机制;并进一步总结了TADF分子的合成原理以及TADF纳米材料的设计策略;随后,重点总结了TADF在常规荧光成像、时间分辨成像、生物传感以及光动力治疗的研究进展;最后,对该领域所面临的挑战和未来的发展机遇进行了展望。本文意在吸引更多研究者对新兴TADF发光材料的关注,以期指导有望用于精准医学的TADF材料的优化设计,并拓宽其在生物医学领域的其他应用。


 

图1. TADF材料在不同应用领域(如光电子学、生物成像、生物传感器、纳米医学)的主要发展时间线。

 

首先,作为典型的无金属发光材料,TADF材料可用于不同生物系统中的常规荧光成像;同时,由于长寿命发射特征,TADF材料可用于荧光寿命成像或时间分辨发光成像,大大提高成像的精准性;此外,TADF现象源于RISC过程,该过程对热和氧气都高度敏感,使得TADF材料可用于温度或氧气传感;除此之外,极小ΔEST、高效系间窜越(ISC)及高氧气灵敏度,使TADF分子可作为一种新型无金属光敏剂,实现高效的肿瘤光动力治疗。


 

图2. TADF材料在生物医学领域的应用:常规荧光成像、时间分辨成像、生物传感及光动力治疗。

 

 

图3. a) 在有机发光二极管(OLEDs)应用中通过电激发以及 b) 在生物医学应用中通过光激发的TADF过程简化示意图。

 

 

图4. TADF材料用于生物医学应用的分子机制简化图:a) 常规荧光成像;b) 时间分辨发光成像;c) 生物传感;d) 产生单重态氧(1O2)用于光动力治疗。

 

 

图5. 用于生物医学应用的典型TADF分子结构的总结。

 

 

图6. 用于生物医学应用的TADF 纳米材料的设计策略:a) TADF分子直接自组装形成纳米结构;b) 将TADF 分子包封在不同的纳米载体中;c) 对TADF 分子进行修饰后,再通过自组装或反向微乳液法形成纳米颗粒;d) TADF与主体分子形成共聚物,再通过与两亲聚合物表面活性剂共沉淀形成纳米材料。 

 

作者简介

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张金凤研究员简介


 

张金凤,现为北京理工大学生命学院副教授/特别研究员,博士生导师。2017年获得香港城市大学博士学位。研究领域为高效低毒全活性纳米药物的制备及其生物医学应用研究。ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., Biomaterials, Small, Theranostics, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际著名学术期刊上发表SCI论文50余篇,总引用2200余次(H index = 27);其中以通讯或第一作者发表论文30篇(单篇平均IF>10),其中5篇为编辑推荐封面文章,影响因子>10的论文14篇。申请/授权国家发明专利8项(已获转让2项)、授权美国发明专利1项,编写英文专著章节1部;主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目6项,入选北京市科协青年人才托举工程项目(2021);曾获香港城市大学最佳博士毕业论文奖、周亦卿研究生院奖、CityU卓越学术研究一等奖、杰出学术成就奖、北京市优秀毕业生等多个奖项。受邀担任Frontiers in ChemistryJournal of Nanoelectronics and OptoelectronicsNanomaterials等国际期刊客座编辑;长期担任ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Biomaterials, ACS Appl. Mater. Inter., Adv. Healthc. Mater.等三十余个国际知名期刊审稿人。


原文链接

https://doi.org/10.1002/advs.202102970


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