聚合增强光敏效应：提高单线态氧产生效率的简便方法

光敏剂（photosensitizer）是一类可以吸收特定波长的光，随后将周围的氧气转换成活性很强的单线态氧（如单线态氧，¹O₂）的分子。目前，光敏剂已经被广泛应用于光动力治疗、有机合成、污水处理等领域。以光动力治疗为例，当用特定波长的光照射肿瘤部位时，聚集在肿瘤组织的光敏剂则会将周围的氧气源源不断地转换成单线态氧，而单线态氧能与附近的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性进而杀伤肿瘤细胞。与肿瘤的传统疗法相比，光动力治疗的优势在于其非侵入性、微创或无创、选择性高、副作用小且耐药性小。

单线态氧产生效率则是表征光敏剂优劣的一大重要指标。对于有机/聚合物光敏剂而言，提高单线态氧产生效率的关键在于提高分子单重态至三重态的系间窜越。而文献报导的关于改善系间窜越的策略，主要集中在以下两点：第一，引入重原子以增强光敏剂自旋-轨道耦合作用；第二，降低分子最低单重态（S₁）至最低三重态（T₁）之间的能级差（ΔE_st）。对于第一种方法，重原子的引入不可避免地会使光敏剂产生暗毒性；而对于第二种方法，则通常是通过分子HOMO和LUMO的分离来实现的，而这通常会导致分子的吸收蓝移，降低其进行光动力治疗时的穿透深度。

图1. 聚合物光敏剂和小分子光敏剂结构及其单线态氧产生效率对比。图片来源：Chem

最近，新加坡国立大学刘斌教授（点击查看介绍）课题组提出了一种新的提高有机光敏剂单线态氧产生效率的策略，即：聚合增强光敏效应。与相似的小分子光敏剂相比，共轭聚合物会具有更高的单线态氧产生能力。在图1所示的4个示例中，在聚合后，单线态氧的产生效率最高提高了5.07倍，最低也有1.73倍。TD-DFT模拟结果（图2）表明，随着聚合度的提升，光敏剂的激发态之间的能级差也在逐渐接近，这使得单重态至三重态的系间窜越有了更多可行的途径，从而有利于其系间窜越，进而提高其单线态氧产生效率。此外，与相应的小分子相比，这4个共轭聚合物的摩尔吸光系数均有所提升，且部分聚合物的最大吸收波长也有所红移，这使得共轭聚合物光敏剂的吸光能力也有所提升。

图2. TD-DFT模拟结果。图片来源：Chem

基于聚合增强光敏效应，刘斌教授等人设计了共轭聚合物CP1，其单线态氧产生效率为光动力治疗中最常用的光敏剂之一的Ce6的3.71倍。而且CP1还具有聚集诱导发光的特性和深红/近红外发射，其在水中的荧光量子产率为6.2%。这些特性使得CP1非常适合用于成像引导的光动力治疗。因此，她们使用两亲性聚合物DSPE-PEG₂₀₀作为聚合物基质，进一步制备了具有良好生物相容性的纳米颗粒CP1 NPs（图3A）。以4T-1乳腺癌细胞作为模型，她们分别在细胞层面上（图3B）和小鼠体内（图3C）验证了这种纳米颗粒在荧光成像引导光动力治疗的效果。结果表明，在同等条件下，共轭聚合物CP1的光动力治疗效果要优于其对应的小分子光敏剂SM1和商用光敏剂Ce6。同时，CP1 NPs的暗毒性在小鼠体可以忽略不计，而且可以在短时间内（经静脉注射3天后）通过肠道排出体外。

图3. CP1纳米颗粒的制备及其在光动力治疗中的应用。图片来源：Chem

另外，她们发现在聚合后CP1拥有了之前小分子光敏剂所不具备的光稳定性，在长时间照射后，其单线态氧产生效率不会发生任何改变。因此，她们进一步探索了CP1在其它领域中的应用。例如，无需任何溶剂，以0.01%的CP1作为催化剂，经4小时光照，苯甲醛即可以78.3%的产率转化为苯甲酸；在光照下，CP1可以高效分解水中的罗丹明、菁染料等有机污染物，以实现污水处理。

总而言之，刘斌教授课题组提出的“聚合增强光敏”是一种非常简单而有效的提高光敏剂单线态氧产生效率的策略。这种现象产生的原因在于共轭聚合物特殊的共轭结构有利于光敏剂单重态到三重态的系间窜越，并且可以提高其吸光能力。利用这种策略所制备的共轭聚合物CP1在光动力治疗，光催化氧化和光催化有机污染物分解等应用中均表现出优于小分子光敏剂SM1和商用光敏剂Ce6的效果。

该论文于近日在线发表于Cell Press旗下化学旗舰期刊Chem，共同第一作者为武文博博士和毛铎博士，通讯作者为刘斌教授。

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Polymerization-enhanced photosensitization

Wenbo Wu,⁺ Duo Mao,⁺ Shidang Xu, Kenry, Fang Hu, Xueqi Li, Deling Kong, and Bin Liu*

Chem. 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.06.003

导师介绍

刘斌

http://www.x-mol.com/university/faculty/40437

（本稿件来自Chem）