【摘要】 本文解析新型D-吡啶三光子荧光材料TpsPym的分子设计策略，通过DFT计算验证其光学性能，展示在深层细胞成像、光学存储等领域的技术突破。涵盖合成方法优化、毒性对比及生物应用场景。

随着多光子成像技术在生物医学领域的广泛应用，具备近红外（NIR）激发窗口、高组织穿透性的三光子荧光材料成为研究焦点。本文聚焦新型D-吡啶衍生物TpsPym，通过分子结构优化实现三光子吸收（3PA）性能提升，为细胞成像和光学存储提供高效低毒解决方案。

 

一、材料合成与表征

合成步骤优化
以5-(二苯基氨基)噻吩-2-甲醛（2.79g, 10mmol）与M型吡啶鎓盐（2.35g, 10mmol）为原料，乙醇溶剂体系下加入8滴哌啶催化剂，75℃反应12小时。反应液颜色由无色逐渐转变为红色（图1），经冷却、过滤、洗涤及真空干燥后获得红色晶体产物，产率达92%。

图1 TpsPym紫外-可见吸收光谱和单光子荧光光谱

 

光学性能测试

使用UV-3600分光光度计对DMSO溶液（浓度1.0×10⁻⁵mol/L）进行检测（图2）：

  • 紫外-可见吸收光谱覆盖260-610nm波段
  • 307nm处为分子内电荷转移（ICT）特征峰
  • 510nm处为π-π*跃迁吸收峰
    荧光光谱显示530-700nm宽带发射峰，主峰位于613nm，证实材料具有优异的三光子响应特性。

图2 TpsPym的分子轨道能量图

 

二、分子设计与性能突破

DFT理论计算验证

通过密度泛函理论（DFT）模拟发现（图3）：

1.吡啶基、芳香环与噻吩环能级匹配，促进电荷分散

2.HOMO轨道电子密集分布于苯环与噻吩环

3.LUMO+3/LUMO+4轨道实现电子均匀分布

该结构设计使分子能级降低至稳定状态，与实验光谱数据高度吻合。

 

技术优势对比

相较于传统Dp-A、A-π-D-D-A型材料，本设计具有：

✅ 合成路线简化（单步反应）

✅ 分子量降低30%（<500Da）

✅ 细胞毒性下降至IC50>100μM

✅ 三光子吸收截面提升至8.7×10⁻⁷⁶cm⁶·s/photon²

 

三、生物医学应用前景

该材料已成功应用于：

1.​深层组织成像：1300nm激发下实现1.2mm穿透深度

2.三维光学存储：写入速度较传统材料提升4倍

3.动态细胞追踪：持续72小时荧光标记无明显衰减

 

四、参考文献

[1] P.L. Wu, X.J. Feng, H.L. Tam, M.S. Wong, K.W. Cheah, J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 886–887.

[2] H.Q. Zhang, N. Alifu, T. Jiang, Z.G. Zhu, Y.L. Wang, J.L. Hua, J. Qian, J. Mater. Chem. B 5 (2017) 2757–2762.

[3] S. Yang, C.C. Guo, Y. Li, ACS Sens. 3 (2018) 2415–2422.

 

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