DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59367-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40295555
تاريخ النشر: 2025-04-28
المؤلف: Lutong Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتلألئة والفوسفورية
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لمواد الفوسفور العضوي المصممة للتصوير الحيوي، حيث تعالج القيود المفروضة على المركبات الفوسفورية التقليدية المثارة بالأشعة فوق البنفسجية التي تشكل مخاطر على الكائنات الحية. يقدم الدراسة ستة مركبات من نوع مانح-مستقبل تحتوي على مجموعات الترازاين، والتي تعمل كضيوف في أنظمة مشوبة قادرة على الإثارة بواسطة الضوء الأبيض. يسمح هذا الابتكار بتوهج فعال بعد الإثارة تحت ضوء أبيض، مما يسهل تقنية التصوير الحيوي حيث تتركز المواد داخل الكائن الحي قبل الإثارة، مما يؤدي إلى تأثيرات تصويرية أفضل مقارنة بالطرق التقليدية.
تظهر التطبيقات العملية لهذه المواد من خلال تشخيصات تصويرية لصفائح تصلب الشرايين في ذكور الفئران Apoe -/- وأمراض الأمعاء في إناث الفئران BALB/c-nude، بالإضافة إلى الملاحة لجراحة أورام الكبد في نفس سلالة الفئران. تشير النتائج إلى أن هذه المواد الفوسفورية القابلة للإثارة بواسطة الضوء الأبيض تعزز بشكل كبير نتائج التصوير، مما يوسع من إمكانياتها للتطبيقات السريرية ويتجاوز القيود المرتبطة بالمواد الفوسفورية المعتمدة على الضوء فوق البنفسجي.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة لتحضير المواد المشوبة وإجراء الحسابات النظرية. يتضمن التحضير دمج مادة مضيفة ومادة ضيف مسبقة الوزن، وتسخين المزيج إلى 60-80 درجة مئوية حتى تذوب المضيفة، ثم التحريك حتى تذوب الضيف بالكامل. يتم بعد ذلك تبريد المزيج إلى درجة حرارة الغرفة لتبلور المادة المشوبة. بالنسبة لنسب المولارية العالية للضيف-المضيفة (1:20 إلى 1:500)، يتم استخدام طريقة الوزن المباشر، بينما بالنسبة للنسب المولارية المنخفضة (1:1000 إلى 1:100000)، يتم استخدام طريقة التخفيف غير المباشر، والتي تتضمن مزيدًا من الخلط مع مادة مضيفة نقية.
تُجرى الحسابات النظرية باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ونظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن (TD-DFT) عبر برنامج Gaussian 09. يتم إجراء تحسينات هندسية للحالة الأرضية على مستوى B3LYP/6-311 G(d)، تليها حسابات TD-DFT لتحديد طاقات الحالة المثارة للحالات S1 وTn. يتم أيضًا اشتقاق طيف الامتصاص المحاكى من حسابات TD-DFT على نفس المستوى الحسابي.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات هامة بين المتغيرات المدروسة، كما يتضح من الاختبارات الإحصائية التي أسفرت عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى اتجاه واضح في البيانات، مما يوحي بأن العلاقات المفترضة صحيحة تحت الظروف المختبرة.
علاوة على ذلك، توضح التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية والمخططات، العلاقات بشكل كمي، مما يعزز النتائج الإحصائية. يختتم القسم بمناقشة تداعيات هذه النتائج، مع التأكيد على أهميتها في المجال الأوسع للدراسة والتطبيقات المحتملة في الممارسة العملية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الفهم للموضوع قيد التحقيق.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق ستة مركبات من نوع D-π-A (TRZ-1 إلى TRZ-6) وتمت دراستها لخصائص الفوسفور المثارة بالضوء الأبيض. أظهرت المركبات أطوال موجية مختلفة للامتصاص والفوسفور، حيث أظهرت TRZ-1 إلى TRZ-3 توهجات خضراء زاهية وTRZ-4 إلى TRZ-6 عرضت توهجات برتقالية-حمراء عند الإثارة بواسطة الضوء الأبيض. تراوحت أوقات حياة الفوسفور من 0.48 إلى 1.41 ثانية، مما يدل على نشاط فوسفوري فعال. دعمت الحسابات النظرية باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) النتائج التجريبية، كاشفة أن الفصل المكاني لأعلى مدار جزيئي مشغول (HOMO) وأدنى مدار جزيئي غير مشغول (LUMO) سهل انبعاث الفوسفور.
أظهرت الأنظمة المشوبة، التي تم إنشاؤها من خلال دمج هذه الجزيئات الضيف في مصفوفة مضيفة (BPO)، كثافات انبعاث متأخرة وأوقات حياة ملحوظة، مما يؤكد إمكانياتها لتطبيقات الفوسفور عند درجة حرارة الغرفة. من الجدير بالذكر أن جزيئات TRZ-1/BPO النانوية (NPs) أظهرت استقرارًا ممتازًا وتوافقًا حيويًا، مما يجعلها مناسبة للتصوير البيولوجي. أبرزت الدراسة مزايا الإثارة بالضوء الأبيض مقارنةً بالضوء فوق البنفسجي، خاصة من حيث اختراق الأنسجة والسلامة لتطبيقات التصوير. تم استخدام جزيئات TRZ-1/BPO بنجاح في أوضاع تصوير مختلفة، بما في ذلك أوضاع التركيز-الإثارة والإثارة-التركيز، لتصور صفائح تصلب الشرايين والمساعدة في الملاحة الجراحية لأورام الكبد، مما يظهر إمكانياتها للتطبيقات التشخيصية غير الغازية في الوقت الحقيقي في البيئات السريرية. ستركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز قابلية تطبيق هذه المواد على الأورام البشرية المعقدة والآفات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59367-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40295555
Publication Date: 2025-04-28
Author(s): Lutong Zhang et al.
Primary Topic: Luminescence and Fluorescent Materials
Overview
The research presents a novel approach to organic phosphorescence materials designed for bioimaging, addressing the limitations of traditional UV-excited phosphorescent compounds that pose risks to living organisms. The study introduces six donor-acceptor-type compounds featuring triazine groups, which serve as guests in doped systems capable of being excited by white light. This innovation allows for efficient afterglow under white-light excitation, facilitating a bioimaging technique where the materials are concentrated within the organism prior to excitation, resulting in superior imaging effects compared to conventional methods.
The practical applications of these materials are demonstrated through imaging diagnoses of atherosclerosis plaques in male Apoe -/- mice and intestinal diseases in female BALB/c-nude mice, as well as navigation for in situ liver tumor surgery in the same mouse strain. The findings indicate that these white-light excitable phosphorescent materials significantly enhance imaging outcomes, thereby expanding their potential for clinical applications and overcoming the limitations associated with UV-light-dependent phosphorescent materials.
Methods
In this section, the authors describe the methods used for preparing doped materials and conducting theoretical calculations. The preparation involves combining a pre-weighed host and guest material, heating the mixture to 60-80 °C until the host melts, and then stirring until the guest is fully dissolved. The mixture is subsequently cooled to room temperature to crystallize the doped material. For high guest-host molar ratios (1:20 to 1:500), a direct weighing method is employed, while for low molar ratios (1:1000 to 1:100000), an indirect dilution method is utilized, involving further mixing with pure host material.
The theoretical calculations are conducted using density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TD-DFT) via the Gaussian 09 program. Ground state geometry optimizations are performed at the B3LYP/6-311 G(d) level, followed by TD-DFT calculations to determine excited state energies for states S1 and Tn. The simulated absorption spectra are also derived from TD-DFT calculations at the same computational level.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, as evidenced by statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05. Additionally, the results indicate a clear trend in the data, suggesting that the hypothesized relationships hold true under the tested conditions.
Furthermore, graphical representations, such as plots and charts, illustrate the relationships quantitatively, reinforcing the statistical findings. The section concludes with a discussion of the implications of these results, emphasizing their relevance to the broader field of study and potential applications in practice. Overall, the findings contribute valuable insights that advance understanding of the topic under investigation.
Discussion
In this study, six D-π-A-type compounds (TRZ-1 to TRZ-6) were synthesized and characterized for their white-light-excited phosphorescence properties. The compounds exhibited varying absorption and phosphorescence wavelengths, with TRZ-1 to TRZ-3 showing bright green afterglows and TRZ-4 to TRZ-6 displaying orange-red afterglows when excited by white light. The phosphorescence lifetimes ranged from 0.48 to 1.41 seconds, indicating effective phosphorescent activity. Theoretical calculations using density functional theory (DFT) supported the experimental findings, revealing that the spatial separation of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) facilitated phosphorescence emission.
The doped systems, created by incorporating these guest molecules into a host matrix (BPO), demonstrated significant delayed emission intensities and lifetimes, confirming their potential for room-temperature phosphorescence applications. Notably, the TRZ-1/BPO nanoparticles (NPs) exhibited excellent stability and biocompatibility, making them suitable for biological imaging. The study highlighted the advantages of white-light excitation over UV-light, particularly in terms of tissue penetration and safety for imaging applications. The TRZ-1/BPO NPs were successfully utilized in various imaging modes, including concentration-excitation and excitation-concentration modes, to visualize atherosclerosis plaques and assist in liver tumor surgical navigation, showcasing their potential for real-time, non-invasive diagnostic applications in clinical settings. Future research will focus on enhancing the applicability of these materials for complex human tumors and lesions.