DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69431-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41672985
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Wen-Ting Wu وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتلألئة والفوسفورية
نظرة عامة
تتناول البحث التحدي المتمثل في إنشاء تدابير موثوقة لمكافحة التزوير في الطب من خلال تطوير سوبرمolecules فوسفورية قابلة للأكل، وتحديداً VB10@α/β-CDs، التي تتكون من α/β-سيكلوديكسترين وفيتامين B10. يتم تصنيع هذه المركبات من خلال الطحن مع الماء أو التبلور المشترك من المحاليل المائية. تظهر المواد الناتجة عمر فوسفوري ملحوظ يصل إلى 1.16 ثانية وعائد كمي ضوئي مرتفع يبلغ 86.5%. يؤثر احتواء VB10 داخل α/β-CDs على ترتيب الطاقة لحالاته المثارة، مما يسهل تشكيل نقطة تقاطع طاقة دنيا (MECP) تعزز الفوسفورية.
تجعل الخصائص الفريدة لـ VB10@α/β-CDs، بما في ذلك طبيعتها القابلة للأكل، ومتانتها للرطوبة، وفوسفورية درجة حرارة الغرفة، والضوء المستقطب دائرياً، منها مرشحة واعدة للاستخدام كأحبار فوسفورية في تطبيقات مكافحة التزوير الطبية. لا يقدم البحث هذه السوبرمolecules المبتكرة فحسب، بل يوضح أيضاً الآلية المعنية بـ MECP التي تساهم في تعزيز خصائصها الفوسفورية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الحرجة للأدوية المزيفة، التي تشكل مخاطر كبيرة على سلامة المرضى والصحة العامة، خاصة في أفريقيا جنوب الصحراء حيث يموت أكثر من 280,000 طفل سنوياً بسبب المنتجات الطبية المزيفة وغير القياسية. تقدر السوق العالمية لهذه الأدوية المزيفة بحوالي 100 مليار دولار. تتطلب الطرق التقليدية لمكافحة التزوير، مثل التحليل الكيميائي وتقنيات مكافحة التزوير على مستوى التعبئة، غالباً معدات باهظة الثمن وموظفين مهرة. بالمقابل، تقدم طرق مكافحة التزوير في الأدوية، التي تتحقق من كل حبة أو كبسولة فردية، حلاً أكثر فعالية. من بين هذه الطرق، يعد استخدام المواد المتلألئة لتعليم الحبوب بالأحبار واعداً بسبب فعاليته من حيث التكلفة وسهولة الكشف.
يقدم البحث سوبرمolecules فوسفورية قابلة للأكل، VB10@α-CD و VB10@β-CD، تم إنشاؤها عن طريق احتواء فيتامين B10 (VB10) مع السيكلوديكسترين (CDs). تظهر هذه السوبرمolecules خصائص ضوئية مثيرة للإعجاب، بما في ذلك عائد كمي يصل إلى 86.5% وتألق مرئي يدوم 6 ثوانٍ، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات مكافحة التزوير في الأدوية. يستخدم البحث نهجاً حسابياً يجمع بين نظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن (TDDFT) ونموذج ONIOM لتوضيح آلية اللمعان لـ VB10@α-CD، كاشفاً عن الدور المهم للروابط الهيدروجينية في تنظيم الحالات المثارة لـ VB10 وتعزيز الفوسفورية. تشير النتائج إلى أن هذه السوبرمolecules الفوسفورية يمكن أن تكون مواد فعالة وقوية وقابلة للأكل لتدابير مكافحة التزوير عالية الأمان في صناعة الأدوية.
طرق
في قسم الطرق من ورقة البحث، يُذكر أن جميع المواد الكيميائية والمذيبات المستخدمة في التجارب تم الحصول عليها من موردين تجاريين وتم استخدامها دون أي تنقية إضافية، ما لم يُذكر خلاف ذلك. يضمن هذا النهج موثوقية المواد مع الحفاظ على نزاهة الإجراءات التجريبية. تشير اختيار المواد الكيميائية المتاحة تجارياً إلى التركيز على القابلية للتكرار والوصول في منهجية البحث.
نتائج
تظهر نتائج الدراسة أن المركب VB10 يظهر فلورية زرقاء ضعيفة مع طول موجي أقصى للإصدار ($\lambda_{max} = 404 \, \text{nm}$)، وعمر ($\tau$) يبلغ 1.35 نانوثانية، وعائد كمي للضوء الفوتوني (PLQY) يبلغ 1.8%. ومع ذلك، عند طحن VB10 مع α-سيكلوديكسترين (α-CD)، يتم ملاحظة تعزيز كبير في الخصائص المتلألئة، مما يؤدي إلى توهج أزرق ساطع يدوم حتى 4 ثوانٍ، مع عمر يبلغ 210 مللي ثانية وPLQY يبلغ 16.5%. يتم تأكيد احتواء VB10 بواسطة α-CD من خلال تقنيات طيفية متنوعة، مما يكشف عن سلوك فوسفوري قوي في ظروف البيئة المحيطة، حيث يصل PLQY لمركب VB10@α-CD الناتج إلى 81.9%.
تستكشف الدراسة أيضاً العلاقة بين نسب المول للضيف والمضيف وخصائص الفوسفورية، مشيرة إلى أن زيادة نسبة α-CD إلى VB10 تعزز الفوسفورية، حيث يرتفع PLQY من 16.5% عند نسبة 1:1 إلى 33.2% عند نسبة 1:1000. يتم دعم آلية الاحتواء من خلال طيف الرنين النووي المغناطيسي، الذي يظهر تحولات مميزة في البروتونات لـ VB10 عند التكوين مع α-CD. بالإضافة إلى ذلك، توضح الحسابات الميكانيكية الكمومية ديناميات الحالات المثارة، مشيرة إلى أن بيئة الحالة الصلبة تسهل الفوسفورية من خلال انتقالات حالات الطاقة المحددة. تؤكد النتائج على الدور الحاسم لـ α-CD في تعزيز خصائص الفوسفورية لـ VB10، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في تدابير مكافحة التزوير في الأدوية.
مناقشة
في هذه الدراسة، نجح المؤلفون في تصنيع فئة من السوبرمolecules الفوسفورية القابلة للأكل، وتحديداً VB10@α/β-CD، من خلال تكوين معقدات المضيف-الضيف من α/β-سيكلوديكسترين (CD) و VB10. تظهر السوبرمolecules الناتجة خصائص ضوئية مثيرة للإعجاب، بما في ذلك عمر فوسفوري يصل إلى 1.12 ثانية وعائد كمي للضوء (PL) يبلغ 86.5%. ومن الجدير بالذكر أنها تعرض توهجاً أزرق ساطعاً يدوم حتى 6 ثوانٍ بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية. يبرز اللمعان المستقطب دائرياً المزدوج الذي لوحظ في VB10@α-CD، مع قيم |glum| تصل إلى 1.5 × 10^{-2} للفلورية و7.5 × 10^{-3} للفوسفورية، الخصائص الفريدة للمعقد.
يعزز احتواء VB10 بواسطة α/β-CD الفوسفورية بشكل كبير، حتى عند النسب المنخفضة (1:1000)، بسبب التلاعب الفعال في حالات الطاقة وتشكيل نقطة تقاطع طاقة دنيا (MECP) بين الحالات الأحادية والثلاثية. توضح الدراسة أيضاً فعالية دمج طريقة ONIOM مع خوارزميات تحديد المواقع الفعالة لـ MECP لتحقيق دقة شبه كمية في الحسابات النظرية للعمليات الضوئية. تشير النتائج إلى التطبيقات المحتملة لـ VB10@β-CD كأحبار فوسفورية قابلة للأكل لمكافحة التزوير في الطب، مما يبرز طرق مبتكرة لدمج هذه المواد في المنتجات الصيدلانية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69431-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41672985
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Wen-Ting Wu et al.
Primary Topic: Luminescence and Fluorescent Materials
Overview
The research addresses the challenge of creating reliable anticounterfeiting measures in medicine by developing edible phosphorescent supramolecules, specifically VB10@α/β-CDs, which are formed from α/β-cyclodextrins and vitamin B10. These complexes are synthesized through grinding with water or co-crystallization from aqueous solutions. The resulting materials exhibit a remarkable phosphorescence lifetime of up to 1.16 seconds and a high photoluminescent quantum yield of 86.5%. The encapsulation of VB10 within α/β-CDs alters the energy ordering of its excited singlet states, facilitating the formation of a minimum energy crossing point (MECP) that enhances phosphorescence.
The unique properties of VB10@α/β-CDs, including their edible nature, moisture robustness, room-temperature phosphorescence, and circularly polarized luminescence, make them promising candidates for use as phosphorescent inks in medical anticounterfeiting applications. The study not only presents these innovative supramolecules but also elucidates the underlying MECP-involved mechanism that contributes to their enhanced phosphorescent characteristics.
Introduction
The introduction highlights the critical issue of counterfeit medicines, which pose significant risks to patient safety and public health, particularly in sub-Saharan Africa where over 280,000 children die annually due to counterfeit and substandard medical products. The global market for these counterfeit medicines is valued at approximately $100 billion. Traditional methods for combating counterfeiting, such as chemical analysis and packaging-level anticounterfeit technologies, often require expensive equipment and skilled personnel. In contrast, in-medicine anticounterfeiting methods, which verify each individual pill or capsule, present a more effective solution. Among these, the use of luminescent materials for ink marking on pills is promising due to its cost-effectiveness and ease of detection.
The paper introduces two edible phosphorescent supramolecules, VB10@α-CD and VB10@β-CD, created by encapsulating Vitamin B10 (VB10) with cyclodextrins (CDs). These supramolecules exhibit impressive photoluminescence properties, including a quantum yield of up to 86.5% and a visible afterglow lasting 6 seconds, making them suitable for in-medicine anticounterfeiting applications. The study employs a computational approach combining time-dependent density functional theory (TDDFT) with the ONIOM model to elucidate the luminescence mechanism of VB10@α-CD, revealing the significant role of hydrogen bonds in regulating the excited states of VB10 and enhancing phosphorescence. The findings suggest that these phosphorescent supramolecules could serve as effective, robust, and edible materials for high-security anticounterfeiting measures in the pharmaceutical industry.
Methods
In the Methods section of the research paper, it is stated that all reagents and solvents utilized in the experiments were sourced from commercial suppliers and employed without any additional purification, unless specified otherwise. This approach ensures the reliability of the materials while maintaining the integrity of the experimental procedures. The choice of commercially available reagents suggests a focus on reproducibility and accessibility in the research methodology.
Results
The results of the study demonstrate that the compound VB10 exhibits weak blue fluorescence with a maximum emission wavelength ($\lambda_{max} = 404 \, \text{nm}$), a lifetime ($\tau$) of 1.35 ns, and a photoluminescence quantum yield (PLQY) of 1.8%. However, when VB10 is ground with α-cyclodextrin (α-CD), a significant enhancement in luminescent properties is observed, yielding a bright blue afterglow lasting up to 4 seconds, with a lifetime of 210 ms and a PLQY of 16.5%. The encapsulation of VB10 by α-CD is further confirmed through various spectroscopic techniques, revealing a robust phosphorescent behavior in ambient conditions, with the PLQY of the resulting VB10@α-CD complex reaching 81.9%.
The study also explores the relationship between the host-guest molar ratios and the phosphorescent properties, indicating that increasing the ratio of α-CD to VB10 enhances phosphorescence, with PLQY rising from 16.5% at a 1:1 ratio to 33.2% at a 1:1000 ratio. The encapsulation mechanism is substantiated by NMR spectroscopy, which shows characteristic downfield shifts in the protons of VB10 upon complexation with α-CD. Additionally, quantum mechanical calculations elucidate the dynamics of excited states, indicating that the solid-state environment facilitates phosphorescence through specific energy state transitions. The findings underscore the critical role of α-CD in enhancing the phosphorescent properties of VB10, suggesting potential applications in anti-counterfeiting measures in pharmaceuticals.
Discussion
In this study, the authors successfully synthesized a class of edible phosphorescent supramolecules, specifically VB10@α/β-CD, through host-guest complexation of α/β-cyclodextrin (CD) and VB10. The resulting supramolecules exhibit impressive photophysical properties, including a phosphorescence lifetime of up to 1.12 seconds and a photoluminescence (PL) quantum yield of 86.5%. Notably, they display a bright blue afterglow lasting up to 6 seconds post UV irradiation. The dual circularly polarized luminescence observed in VB10@α-CD, with |glum| values reaching 1.5 × 10^{-2} for fluorescence and 7.5 × 10^{-3} for phosphorescence, underscores the complex’s unique luminescent characteristics.
The encapsulation of VB10 by α/β-CD significantly enhances phosphorescence, even at low ratios (1:1000), due to effective energy state manipulation and the formation of a minimum energy crossing point (MECP) between singlet and triplet states. The study further demonstrates the efficacy of combining the ONIOM method with MECP-efficient locating algorithms to achieve semi-quantitative accuracy in theoretical calculations of photophysical processes. The findings suggest potential applications of VB10@β-CD as edible phosphorescent inks for anticounterfeiting in medicine, highlighting innovative methods for integrating these materials into pharmaceutical products.