通过光敏化反应产生活性氧(如单线态氧)在能量转换、有机污染物降解和光动力治疗等领域都起到了至关重要的作用。而近红外光对于废水和生物组织等各种介质都有着较强的穿透能力,因此应用近红外光进行光敏化单线态氧生成具有很大的应用前景。然而,传统光敏剂的吸收光一般位于紫外-可见波段,穿透深度较浅。
同时,单线态氧的产生主要依赖于光敏剂的三线态激发态,在一般情况下光敏剂的单线态基态向三线态激发态的直接跃迁是自旋禁阻的,使得三线态能级无法被直接激发。三线态仅能通过激发光敏剂的单线态,随后经过单线态-三线态系间窜越生成三线态激发态。基于这一问题,现有的近红外敏化手段主要有:
  • 通过分子结构设计使光敏剂吸收红移至近红外波段,此方法较为困难,分子合成过程复杂,且单线态氧产生效率无法保证
  • 基于上转换过程,通过荧光共振能量转移(Förster resonance energy transfer)敏化光敏剂,然而极低的上转换效率限制了此方法的应用
因此,如何实现光敏剂的高效近红外激发已经成为一大难题。针对这一难题,近日,浙江大学材料学院邓人仁课题组与浙江大学转化医学院周民团队合作,提出了一种全新的从稀土离子到有机分子三线态的直接能量传递方式,该方法避免了系间窜越过程,实现近红外敏化三线态的同时极大程度地避免了能量损失。与传统上转换敏化过程不同的是,由于在一般情况下,基态单线态到激发三线态是禁阻跃迁的,因此三线态没有相应的吸收峰,稀土离子-分子三线态的直接能量传递不需要稀土离子的发射峰与有机分子的吸收峰重叠。
该工作通过对不同稀土离子与不同有机分子(包括卟啉和酞菁类分子以及羧基并四苯)进行探究,证实了稀土离子-有机分子三线态直接能量传递的普适性,并发现仅在有机分子三线态能量低于稀土离子激发态能量时,能量传递才能有效地发生。较之于传统上传换敏化过程,稀土离子-有机分子三线态直接能量传递实现了超过其100倍的单线态氧产生。基于此,这一策略被应用于光动力治疗,在超低的激发功率密度下(~80 mW/cm2)实现了较好的治疗效果。这项成果为有机分子的高效近红外敏化提供了新思路,在医学事业污染治理以及能源利用领域有巨大的应用潜力。
本期牛津仪器云学院有幸邀请到了来自相关课题组的邓人仁博士来介绍该课题组在有机分子-稀土纳米晶复合材料体系中的最新研究成果。
包括如何通过纳米晶材料的稀土掺杂和核壳结构的精确设计,实现有机光敏分子与无机纳米晶颗粒之间更有效的相互能量转移;以及如何通过稀土纳米晶与有机分子的杂化作用实现有机半导体分子的暗三线态激发态的能量调控等相关内容。欢迎大家报名参与本次云学院并在会后与邓博士在线沟通交流。
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主讲人介绍
邓人仁 博士
浙江大学材料科学与工程学院
  研究员

研究员,博士生导师,国家高层次青年人才计划入选者,浙江大学百人计划特聘研究员。2009年本科毕业于浙江大学化学系。2014年获得新加坡国立大学博士学位。先后于新加坡国立大学化学系,英国剑桥大学卡文迪许实验室从事博士后研究工作。2016年受聘浙江大学“百人计划”研究员加入浙江大学材料科学与工程学院。主要开展稀土掺杂纳米光功能材料和其他结构组元如光子晶体、有机染料分子、半导体微结构等复合基元构筑及可控合成研究,在上转换纳米材料的纳米光学特性上的高度可控技术方面,取得了若干具有开创性的原创成果。近年来在Nature,Nature Nanotech.,Nature Mater., JACS, 等高水平国际学术期刊上发表论文20余篇。论文总引用5500余次。

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