卢华课题组在Chem. Sci报道新型光热分子母核BOINPY

近日，我院卢华教授课题组在光热分子的设计方面取得重要进展，该研究以“BOINPYs: facile synthesis and photothermal properties triggered by photoinduced nonadiabatic decay”为题发表在国际化学领域权威期刊Chem. Sci上，并被选为Hot Article。

光热疗法是近几年兴起的一种非侵入性的、精准调控的癌症治疗新方法，已成为研究癌症治疗手段的热点和前沿。光热疗法是利用近红外光照射光热试剂，将光能转化为热能从而杀死癌细胞的一种无创肿瘤治疗策略，因此开发具有较高光热转化效率的近红外光热试剂是光热疗法的关键核心。然而，光热试剂的构建尚无可参考的普遍规律，目前大部分有机光热试剂的设计都是在现有荧光团的基础上进行结构修饰和功能调控。因此，激发态以热的形式表达，且稳定易于修饰的新型光热分子母核设计是该领域的一个重要研究方向。

杭州师范大学卢华课题组/北京大学张俊龙课题组采用光诱导非绝热衰退（PIND）的概念设计开发了一种新型光热分子母核BOINPY，在此基础上进一步结构修饰获得了具有高光热转化效率的化合物。BOINPY@F127纳米粒子表现出良好的生物相容性和较高的光热转换效率，具有显著的抗肿瘤治疗效果。

图1. a)分子结构，b)基态轨道分布和能量，c) NICS(1)计算，d) AICD plot，e) S1态轨道分布和振子强度，f）基态，激发态和锥形交叉 (CI)的能量。

作者首先通过理论计算发现用吲哚-3-酮替换异吲哚-1酮构建的BOINPY，其性质发生重大变化，如BOINPY能隙显著降低，光谱红移动；S1→S0跃迁具有很小振子强度，S1状态为“暗”态，故而具有可忽略的荧光。BOINPY在受到激光照射跃迁到激发态时，会受到较强的分子内电荷转移效应的影响，S_1min和 CI之间的能量差为0.87 eV，利于通过圆锥交叉(CI)的非辐射衰退过程（光诱导非绝热衰退），能更高效地将光能转换成热能。而BOISPY的S_1min到 CI 的能隙较大(1.75 eV)，具有较强的辐射衰退而表现出强荧光发射。

图2. a)分子合成，b)HeLa荷瘤裸鼠瘤内注射PBS和2b@F127后，650 nm激光照射的红外热像图，c）治疗效果评价。

BOINPY由商业化的吲哚酮通过一步连续反应合成，其在三乙胺存在与含氮芳香醛反应，通过简单过滤得到关键前体，配位即可得到BOINPYs。这类分子母核结稳定，可以经受住各类金属催化的偶联反应。和理论预测一致，这类化合物具有非常低的发光量子效率，高光热转换效率。利用聚醚F127包裹化合物2b构建的纳米粒子2b@F127显示出良好的生物相容性和低毒性，以及较高的光热转换效率。在650 nm的激光照射下，产生大量热以消融实体肿瘤。以荷瘤裸鼠作为肿瘤模型，在体内进行了抗肿瘤研究。使用近红外光（650 nm，0.5 Wcm^-2）照射小鼠的肿瘤部位，通过红外热成像将肿瘤部位可视化并进行肿瘤治疗。较对照组而言，在激光照射下，2b@F127可有效的抑制肿瘤生长。

综上，本研究利用理论计算指导，简单高效的构建了一种新型光热分子平台。理论上，PIND型光热分子应该具有定量光热效率，而BOINPY类光热效率在50-57%范围，主要原因是BOINPY的CI态能量高于S_1min态能量，因此，激发态到达CI态需要消耗一定的能量。CI态能量低于S_1min且无能垒是未来设计高效光热分子的思路。本研究设计了一类新颖的光热分子平台，为设计高性能光热试剂提供了新策略。

这一成果近期发表在Chemical Science上，文章的第一作者是杭州师范大学盖立志副教授和华南理工大学与北京大学联合培养张瑞静博士，通讯作者为杭州师范大学卢华教授和北京大学张俊龙教授，该工作的分子合成与性质测试由盖立志，石修广，王思斯合作完成，理论计算主要由倪志刚完成，疗效评价由张瑞静完成。该工作得到南京大学郭子建院士的悉心指导和帮助。作者感谢国家自然科学基金和浙江省青年英才计划的资助。

论文信息：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/sc/d2sc06435a