Een onderzoeksgroep onder leiding van universitair hoofddocent Masahito Murai van de Graduate School of Science en professor Shigehiro Yamaguchi van het Functional Organic Materials Laboratory heeft met succes anti-aromatische moleculen ontwikkeld die absorptie- en fluorescentiebanden vertonen in het nabij-infrarode (NIR) gebied, een gebied dat belangrijk voor medische hulpmiddelen.

Hun bevindingen, gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition , stelt toepassingen voor voor de vooruitgang op het gebied van de gezondheidszorg, opto-elektronica en materiaalkunde.

Absorptie en fluorescentie zijn fundamentele onderzoeksonderwerpen in de spectroscopie, een vakgebied dat de interactie tussen licht en materie onderzoekt. Deze fotofysische eigenschappen zijn cruciaal om te begrijpen hoe moleculen en materialen zich gedragen bij blootstelling aan licht.

Een absorptieband vertegenwoordigt het specifieke golflengtebereik waarin een materiaal licht absorbeert, waardoor elektronen in de moleculen of atomen overgaan naar hogere energietoestanden. Fluorescentiebanden hebben daarentegen betrekking op de emissie van licht door een stof die eerder licht heeft geabsorbeerd, waarbij het uitgezonden licht een langere golflengte heeft dan het geabsorbeerde licht.

De betekenis van dit onderzoek ligt in de ontwikkeling van organische moleculen die licht uitstralen in het NIR-gebied, met name golflengten tussen 800 en 1100 nm. Dit gebied, bekend als het ‘optische venster van levend weefsel’, biedt unieke voordelen bij medische toepassingen, waaronder diepe biologische beeldvorming, fotodynamische therapie en fotothermische therapie. NIR-licht kan dieper in weefsels doordringen met minder verstrooiing en minimale schade door licht, waardoor het een hulpmiddel van onschatbare waarde is in onderzoek in de gezondheidszorg en de biowetenschappen.

"Er is een sterke vraag naar organische moleculen die absorptie- en emissie-eigenschappen vertonen in het nabij-infrarode gebied voor opto-elektronische materialen in toepassingen in de gezondheidszorg en fluorescentiebeeldvorming, zoals fluorescerende sondes voor diepe biologische beeldvorming, fotodynamische therapie en fotothermische therapie", legt Murai uit. /P>

"Conventionele kleurstoffen hebben echter vaak last van een verminderde oplosbaarheid en een verhoogde lipofiliteit als gevolg van de sterke interacties tussen grotendeels uitgebreide π-elektronensystemen. Deze problemen maken het moeilijk om de moleculen te vormen en te verwerken voor gebruik als elektronisch materiaal en om ze toe te passen op biologische beeldvorming. "

De sleutel tot het succes van het team ligt in de fusie van thiofeen, een minder aromatische heterocyclische ring, met azepine. Deze gefuseerde ringstructuur bracht anti-aromatische en polymethine-karakters effectief in evenwicht om elektronische overgangen van anti-aromatische verbindingen waarschijnlijker te maken, en als gevolg daarvan de verwerving van absorptie- en fluorescentiegolflengten in het NIR-gebied mogelijk te maken. Deze doorbraak heeft het potentieel om te leiden tot de creatie van diverse NIR-lichtgevende materialen.

Het team ontwierp en synthetiseerde een reeks azepinederivaten met elektronenaccepterende groepen en gebruikte röntgenstructuuranalyse met één kristal om significante structurele verschillen daartussen aan het licht te brengen.

Terwijl het gebogen dibenzoazepine absorptie en fluorescentie vertoonde bij kortere golflengten, vertoonde het zeer vlakke dithienoazepine-analoog absorptie en fluorescentie bij golflengten langer dan 700 nm. De bruikbaarheid van het moleculaire raamwerk werd verder aangetoond door het synthetiseren van een dithienoazepine met kationische indoliumgroepen, die een sterke absorptieband vertoonden bij 846 nm en een smalle fluorescentieband bij 878 nm.

Over het geheel genomen introduceert hun onderzoek een veelbelovende weg voor de ontwikkeling van materialen met sterke absorptie- en fluorescentie-eigenschappen in het NIR-bereik. Dithienoazepine was een nuttige kern die ondanks zijn kleine tricyclische skelet absorptie en emissie over lange golflengten kon bereiken.

Het toepassingspotentieel omvat een breed scala aan velden, waaronder fluorescentiebeeldvorming, detectie en materiaalkunde, met een bijzondere focus op diepe weefselbeeldvorming en niet-invasieve diagnostiek, wat de toewijding van Nagoya University benadrukt om de grenzen van wetenschap en innovatie te verleggen om de gezondheid te verbeteren. zorg met behulp van de allernieuwste technologie.

Meer informatie: Masahito Murai et al, Op dithienoazepine gebaseerde nabij-infraroodkleurstoffen:Janus-faced effecten van een met thiofeen gefuseerde structuur op anti-aromatische azepinen, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202311445

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Geleverd door Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya University