En forskargrupp ledd av docent Masahito Murai från Graduate School of Science och professor Shigehiro Yamaguchi från Functional Organic Materials Laboratory har framgångsrikt utvecklat antiaromatiska molekyler som uppvisar absorptions- och fluorescensband i den nära-infraröda (NIR) regionen, en region som är viktigt för medicinsk utrustning.
Deras resultat, publicerade i Angewandte Chemie International Edition , föreslå ansökningar för att främja områdena hälsovård, optoelektronik och materialvetenskap.
Absorption och fluorescens är grundläggande forskningsämnen inom spektroskopi, ett område som utforskar samspelet mellan ljus och materia. Dessa fotofysiska egenskaper är avgörande för att förstå hur molekyler och material beter sig när de utsätts för ljus.
Ett absorptionsband representerar det specifika våglängdsintervallet där ett material absorberar ljus, vilket gör att elektroner i molekylerna eller atomerna övergår till högre energitillstånd. Fluorescensband, å andra sidan, hänför sig till emissionen av ljus från ett ämne som tidigare har absorberat ljus, där det emitterade ljuset har en längre våglängd än det absorberade ljuset.
Betydelsen av denna forskning ligger i utvecklingen av organiska molekyler som avger ljus i NIR-regionen, specifikt våglängder mellan 800 och 1100 nm. Denna region, känd som "det optiska fönstret för levande vävnad", erbjuder unika fördelar i medicinska tillämpningar, inklusive djup biologisk avbildning, fotodynamisk terapi och fototermisk terapi. NIR-ljus kan penetrera vävnader djupare med minskad spridning och minimal fotoskada, vilket gör det till ett ovärderligt verktyg inom hälsovård och biovetenskaplig forskning.
"Organiska molekyler som uppvisar absorptions- och emissionsegenskaper i det nära-infraröda området är i stark efterfrågan på optoelektroniska material i hälsovårdstillämpningar och fluorescensavbildning, såsom fluorescerande sonder för djup biologisk avbildning, fotodynamisk terapi och fototermisk terapi," förklarade Murai.
"Men konventionella färgämnen lider ofta av minskad löslighet och ökad lipofilicitet på grund av den starka växelverkan mellan i stort sett utökade π-elektronsystem. Dessa problem gör det svårt att forma och bearbeta molekylerna för användning som elektroniska material och att applicera dem på biologisk avbildning. "
Nyckeln till lagets framgång ligger i fusionen av tiofen, en mindre aromatisk heterocyklisk ring, med azepin. Denna sammansmälta ringstruktur balanserade effektivt antiaromatiska och polymetinkaraktärer för att göra elektroniska övergångar av antiaromatiska föreningar mer sannolikt att inträffa, och som ett resultat, möjliggör förvärvet av absorptions- och fluorescensvåglängder i NIR-regionen. Detta genombrott har potentialen att leda till skapandet av olika NIR-luminiscerande material.
Teamet designade och syntetiserade en serie azepinderivat med elektronaccepterande grupper och använde enkristallröntgenstrukturanalys för att avslöja signifikanta strukturella skillnader mellan dem.
Medan det krökta dibensoazepinet uppvisade absorption och fluorescens vid kortare våglängder, uppvisade den mycket plana ditienoazepinanalogen absorption och fluorescens vid våglängder längre än 700 nm. Det molekylära ramverkets användbarhet demonstrerades ytterligare genom att syntetisera ett ditienoazepin med katjoniska indoliumgrupper, som uppvisade ett starkt absorptionsband vid 846 nm och ett smalt fluorescensband vid 878 nm.
Sammantaget introducerar deras forskning en lovande väg för utveckling av material med starka absorptions- och fluorescensegenskaper i NIR-området. Dithienoazepin var en användbar kärna som kunde uppnå långvåglängdsabsorption och emission trots sitt lilla tricykliska skelett.
Applikationspotentialen spänner över ett brett spektrum av områden, inklusive fluorescensavbildning, avkänning och materialvetenskap, med särskilt fokus på djupvävnadsavbildning och icke-invasiv diagnostik, vilket lyfter fram Nagoya Universitys engagemang för att tänja på gränserna för vetenskap och innovation för att förbättra hälsan skötsel med hjälp av den senaste tekniken.
Mer information: Masahito Murai et al, Dithienoazepin-Based Near-Infrared Dyes:Janus-Faced Effects of a Thiophene-Fused Structure on Antiaromatic Azepines, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202311445
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya University
