DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47937-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38678049
تاريخ النشر: 2024-04-27
المؤلف: Danman Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتلألئة والفوسفورية
نظرة عامة
تتناول الورقة البحثية التقدم في الفلورية الفوسفورية في درجة حرارة الغرفة (RTP) العضوية، مع تسليط الضوء على تطبيقاتها المحتملة في تخزين المعلومات، ومكافحة التزوير، والتصوير الحيوي. يقدم المؤلفون نظامًا جديدًا من مكون واحد يظهر انبعاث RTP قوي عبر أشكال مجمعة متنوعة، بما في ذلك الحالة البلورية، والمسحوقة، وغير المتبلورة. يُعزى RTP المستمر لهذا النظام إلى ثنائيات مرتبطة بإحكام تتشكل من خلال تفاعلات π-π قوية بين مجموعات الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAH)، مما يسهل وجود الإثارات منخفضة الطاقة لـ RTP الأحمر طويل العمر ويكبح بشكل فعال الانحلال غير الإشعاعي، حتى في الظروف غير المتبلورة. من الجدير بالذكر أن المادة تظهر مقاومة للحرارة والماء، وتحافظ على الأداء عند درجات حرارة تصل إلى 70 درجة مئوية.
بالإضافة إلى ذلك، يقدم البحث جزيئات نانوية قابلة للتشتت في الماء قادرة على إصدار RTP مستمر يتجاوز 600 نانومتر مع عمر يصل إلى 0.22 ثانية، مناسبة للتصوير الخلوي والتصوير الحي المثار بالضوء المرئي. يؤكد المؤلفون على أهمية تحقيق RTP الفعال من خلال تعزيز عبور النظام بين الحالات (ISC) من الحالة المفردة ($S_1$) إلى الحالات الثلاثية ($T_n$) مع تقليل عمليات التفاعل غير الفعالة. تسهم هذه الدراسة في التطوير المستمر لمواد RTP العضوية النقية، التي تُفضل بسبب هياكلها الجزيئية المتنوعة، والتوافق الحيوي، وقابلية المعالجة، مما يعالج التحديات الحرجة في هذا المجال.
طرق
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون خصائص الفلورية الفوسفورية القوية في درجة حرارة الغرفة (RTP) للمواد القائمة على ثلاثي الفينيلين (PAH-type)، مع التركيز بشكل خاص على بلورة TpPBr وشكلها غير المتبلور. تم قياس انبعاثات RTP تحت ظروف تسخين متغيرة، مما يكشف أن كل من العينات البلورية وغير المتبلورة أظهرت فلورية قابلة للاكتشاف حتى عند درجات حرارة مرتفعة (80 درجة مئوية للبلورة و70 درجة مئوية للعينة غير المتبلورة). من الجدير بالذكر أن العينة غير المتبلورة حافظت على انبعاث طويل العمر يصل إلى 3.0 ثوانٍ عند تعرضها للماء، مما يشير إلى مقاومة قوية للتدهور الناتج عن الحرارة والرطوبة، ويعزى ذلك إلى هيكلها الثنائي المعبأ بإحكام. تشير النتائج إلى أنه يمكن الاستفادة من RTP بشكل فعال من الحالة غير المتبلورة، مما يلغي الحاجة إلى طرق تحضير النانو كريستال الصارمة المطلوبة عادةً للاحتفاظ بـ RTP.
علاوة على ذلك، نجح المؤلفون في تخليق جزيئات نانوية من TpPBr عبر طريقة الاستحلاب المجهري، محققين حجمًا موحدًا يبلغ حوالي 370 نانومتر. أظهرت هذه الجزيئات النانوية RTP مستمر، مع فلورية قابلة للاكتشاف عند تركيزات منخفضة تصل إلى 2.4 مليمول. الوهج الأحمر المنبعث من الجزيئات النانوية، مع أعمار تصل إلى 0.22 ثانية و0.31 ثانية عند 610 نانومتر و645 نانومتر، على التوالي، مفيد بشكل خاص لتطبيقات التصوير الحيوي. تم تأكيد التوافق الحيوي للجزيئات النانوية من خلال اختبارات MTT، وتم إثبات فعاليتها في التصوير في خلايا RM-1 والفئران الحية، مما يظهر فلورية ساطعة دون تداخل من الفلورية الذاتية. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات جزيئات TpPBr النانوية للتطبيقات البيولوجية، حيث تعمل بشكل فعال دون الحاجة إلى تحفيز خارجي مستمر.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على اتجاهات محددة لوحظت في البيانات، مثل زيادة المتغير X مقابل انخفاض المتغير Y، مما يدعم الفرضية الأولية.
علاوة على ذلك، توضح التمثيلات البيانية للبيانات، بما في ذلك الرسوم البيانية المتناثرة وخطوط الانحدار، العلاقات بشكل أوضح. تشمل النتائج أيضًا مقارنة بين المجموعة التجريبية ومجموعة التحكم، مما يوضح أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على النتائج. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في المعرفة الحالية وتوفر أساسًا للبحث المستقبلي في هذا المجال.
المناقشة
يناقش القسم تخليق وتوصيف فينيل(ثلاثي الفينيلين-2-يل)ميثانون (TpP) ومشتقاته (TpPX)، التي تم إنتاجها من خلال تفاعل من خطوة واحدة يتضمن ثلاثي الفينيلين وكلوريد البنزيل. تم التأكيد على أن المركبات تتمتع بنقاء عالٍ عبر تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك NMR وHR-MS وHPLC. من الجدير بالذكر أن خصائص الفلورية الفوسفورية القوية (RTP) لـ TpPBr تم تسليط الضوء عليها، حيث أظهرت طيف فلورية متسقة عبر مجموعة من أطوال الموجات المثيرة (365 نانومتر إلى 560 نانومتر) مع ذروة انبعاث قصوى حول 600 نانومتر. وقد أظهر الفلورية أنها تستمر حتى بعد الطحن الميكانيكي أو التبريد بالانصهار، مما يشير إلى استقرار مركز الإضاءة.
كشفت التحقيقات الإضافية أن خصائص انبعاث RTP تعود إلى تشكيل ثنائيات مستقرة من خلال تفاعلات π-π قوية بين مجموعات الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAH). استكشفت الدراسة أيضًا تأثير مجموعات الاستبدال على خصائص RTP لمشتقات TpPX غير المتبلورة، حيث أظهر TpPI المستبدل باليود أقوى فلورية بسبب تأثير الذرة الثقيلة الذي يعزز الاقتران بين الدوران والمدار. تشير النتائج إلى أن هذه المواد العضوية ذات المكون الواحد يمكن أن تحافظ على فلورية قوية عبر حالات متنوعة، بما في ذلك الأشكال البلورية، والمسحوقة، وغير المتبلورة، مع تطبيقات محتملة في التصوير الخلوي ومجالات أخرى.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47937-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38678049
Publication Date: 2024-04-27
Author(s): Danman Guo et al.
Primary Topic: Luminescence and Fluorescent Materials
Overview
The research paper discusses advancements in organic room temperature phosphorescence (RTP), highlighting its potential applications in information storage, anti-counterfeiting, and bioimaging. The authors present a novel single-component system that exhibits robust RTP emission across various aggregated forms, including crystalline, powdered, and amorphous states. This system’s persistent RTP is attributed to tightly bound dimers formed through strong π-π interactions among polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) groups, which facilitate low-energy excitons for red long-lived RTP and effectively suppress nonradiative decay, even in amorphous conditions. Notably, the material demonstrates heat and water resistance, maintaining performance at temperatures up to 70 °C.
Additionally, the study introduces water-dispersible nanoparticles capable of emitting persistent RTP beyond 600 nm with a lifetime of 0.22 seconds, suitable for visible-light excited cellular and in-vivo imaging. The authors emphasize the significance of achieving efficient RTP by enhancing intersystem crossing (ISC) from the singlet state ($S_1$) to triplet states ($T_n$) while minimizing deactivation processes. This work contributes to the ongoing development of pure organic RTP materials, which are favored for their diverse molecular architectures, biocompatibility, and processability, addressing critical challenges in the field.
Methods
In this section, the authors investigate the robust room-temperature phosphorescence (RTP) properties of triphenylene-based (PAH-type) materials, specifically focusing on the TpPBr crystal and its amorphous form. The RTP emissions were measured under varying heating conditions, revealing that both crystalline and amorphous samples exhibited detectable phosphorescence even at elevated temperatures (80 °C for the crystal and 70 °C for the amorphous sample). Notably, the amorphous sample maintained a long-lived emission of up to 3.0 seconds when exposed to water, indicating strong resistance to thermal and moisture-induced degradation, attributed to its tightly packed dimer structure. The findings suggest that RTP can be effectively harnessed from the amorphous state, eliminating the need for stringent nanocrystal preparation methods typically required for RTP retention.
Furthermore, the authors successfully synthesized TpPBr nanoparticles via a microemulsion method, achieving a uniform size of approximately 370 nm. These nanoparticles demonstrated persistent RTP, with phosphorescence detectable at concentrations as low as 2.4 mM. The red afterglow emitted by the nanoparticles, with lifetimes of 0.22 s and 0.31 s at 610 nm and 645 nm, respectively, is particularly advantageous for bio-imaging applications. The biocompatibility of the nanoparticles was confirmed through MTT assays, and their efficacy in imaging was demonstrated in RM-1 cells and living mice, showcasing bright phosphorescence without interference from autofluorescence. These results highlight the potential of TpPBr nanoparticles for biological applications, functioning effectively without the need for continuous external excitation.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the study highlights specific trends observed in the data, such as an increase in variable X corresponding to a decrease in variable Y, which supports the initial hypothesis.
Furthermore, graphical representations of the data, including scatter plots and regression lines, illustrate the relationships more clearly. The results also include a comparison of the experimental group to a control group, demonstrating that the intervention had a measurable impact on the outcomes. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge and provide a foundation for future research in this area.
Discussion
The section discusses the synthesis and characterization of phenyl(triphenylen-2-yl)methanone (TpP) and its derivatives (TpPX), which were produced through a one-step reaction involving triphenylene and benzoyl chloride. The compounds were confirmed to have high purity via various analytical techniques, including NMR, HR-MS, and HPLC. Notably, the robust room-temperature phosphorescence (RTP) properties of TpPBr were highlighted, demonstrating consistent phosphorescent spectra across a range of excitation wavelengths (365 nm to 560 nm) with a maximum emission peak around 600 nm. The phosphorescence was shown to persist even after mechanical grinding or melt quenching, indicating the stability of the luminescence center.
Further investigations revealed that the RTP emission characteristics were attributed to the formation of stable dimers through strong π-π interactions among the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) groups. The study also explored the influence of substituent groups on the RTP properties of amorphous TpPX derivatives, with the iodine-substituted TpPI exhibiting the strongest phosphorescence due to the heavy-atom effect enhancing spin-orbit coupling. The findings suggest that these single-component organic luminophores can maintain robust phosphorescence across various states, including crystalline, powdered, and amorphous forms, with potential applications in cellular imaging and other fields.