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Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11371 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

一重項酸素 (1O2) は、酸化化学反応や光線力学がん治療において最も注目されている種の 1 つであり、大気中や生細胞中で活性化および中和されます。 1O2を理解して活用するには、1O2が「いつ」「どこで」生産され、届けられるのかを把握することが不可欠です。光と操作された一重項状態および三重項状態によって制御され、1O2 の捕捉 - 放出状態を示す 1O2 を捕捉、貯蔵、供給する分子センサーツールに対する需要が高まっています。ここで我々は、アミノクマリン-メチルアントラセンをベースとした電子供与体・受容体分子の優れた可能性を実証します(1)。分光測定により、蛍光が強くなく、以前に報告された 1O2 センサー分子とは著しく異なるエンドペルオキシド (1-O2) の形成が確認されました。さらに、1-O2 の色素の光励起は、酸化的再配列と競合する 1O2 放出による蛍光増強を引き起こします。 1 のユニークな能力は、化学反応や光線療法などのさまざまな分野で 1O2 を空間的および時間的に制御して利用する道を開くでしょう。

酸素分子の最低励起状態である一重項酸素 (1Δg) (1O2) は、活性酸素種 (ROS) ファミリーの必須メンバーであり、さまざまな化学反応および生物学的反応における活性中間体です 1、2、3、4、5。 1O2 の制御されていない生成は、材料の望ましくない分解と酸化ストレス誘発性疾患の進行を引き起こします。したがって、1O2 の制御かつ局所的な生成と感知は、任意の化学反応や生物学的反応で 1O2 を利用するために不可欠であり、有益です。

1O2 センシングは、がん細胞を殺すための PDT やファインケミカル合成など、その反応を検出して制御するために重要です1、2、3、4、6。蛍光センシングは感度が高いため、1O2 検出に最も効率的な方法の 1 つです5,7。 1O2 の最も有望な蛍光センサーの 1 つは、蛍光団-スペーサー-1O2 受容体システムに基づいています。アントラセン部分は、1O28 に対する高い選択性と反応性により、優れた受容体としてよく選ばれます。このようなセンサーは、効率的な光誘起分子内電子移動 (PET) により、1O2 と反応する前は非蛍光です。 1O2 とセンサーの間の付加環化によりエンドペルオキシドが生成され、PET をブロックして放出をアンケージします5。

1O2 のセンシングとは別に、1O2 の捕捉と制御された放出の需要も、生物学 1、2、3 および化学 4 のさまざまな分野で大幅に研究されています。しかし、低酸素の腫瘍微小環境でそれを産生することは困難です1、2、3。この課題は、1O29,10,11,12,13,14,15,16 の刺激誘発性放出によって調べられます。従来、1O2 はアセンまたはピペリドンのエンドペルオキシドを加熱することによって遊離されていました 10、11、12、13、14。フディッカーら。は、ジピリジルアントラセンエンドペルオキシドを開発し、化学的トリガーの下で 1O2 を放出しました 13。ユーカーら。は、ナフタレンエンドペルオキシドからの 1O2 の 2 段階の化学刺激誘発放出を実証しました 14。光誘発性 1O2 放出は、282 nm レーザーの高エネルギー光が使用されましたが、エンドペルオキシドのアントラセニル部分の光励起によっても報告されています 16。多くの 1O2 センサー分子が報告されているにもかかわらず 17、18、19、20、21、センサーは予想外の 1O2 の捕捉、貯蔵、供給を示し、DA 型からケージド型へ 50 倍を超える蛍光強度増強を伴う捕捉 - 放出状態を示しています。エンドペルオキシド。

ここで、本研究は、時間的に制御された方法で 1O2 を化学的に捕捉し、光学的に放出し、効率的に感知する分子ダイアドシステムを実証します。アミノクマリン-メチルアントラセン結合分子(1)が1O2を捕捉してエンドペルオキシド(1-O2)を形成することが確認された。注目すべきことに、1-O2 は、アントラセニル部分を持つ市販の蛍光発生 1O2 プローブ分子ほど蛍光性がありません。本研究では、1-O2 の独特な分子軌道と三重項励起エネルギー準位が弱い蛍光の性質を示すことが示されています。追加の UV または NIR 光刺激により、蛍光性の高い化合物の形成が引き起こされます。また、1 光子または 2 光子 (近赤外、NIR) 励起による色素分子クマリンの光励起により、1-O2 が 1O2 を放出することも確認しました。独特の励起状態は 1-O2 のアミノメチルアントラセニル部分に由来しており、1 光子励起または 2 光子励起によって達成可能な蛍光センシングによる効率的な 1O2 の捕捉、貯蔵、放出が可能になります。これらのユニークな現象は、NMR や EPR などの分光測定と密度汎関数理論 (DFT) 計算を使用して検証されます。

この研究で使用された化学物質はすべて分析グレードであり、特に明記されていない限り、受け取ったままの状態で使用されました。炭酸カリウム (K2CO3)、ヨウ化カリウム (KI)、塩酸 (HCl)、およびアジ化ナトリウム (NaN3) は、富士フイルム和光純薬株式会社から入手しました。東京化成工業 (TCI) の 7-アミノ-4-メチルクマリン、7-エチルアミノ-4-メチルクマリン、9-クロロメチルアントラセン、9-メチルアントラセン、テトラキス(4-カルボキシフェニル)ポルフィリン (TCPP)、およびローズベンガル (RB) ）、日本。 2,2,6,6-テトラメチルピペリジン (TEMP) および 2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル (TEMPO) を米国 Sigma Aldrich から入手しました。 SOSG は Sigma から入手し、SiDMA センサーは日本の DOJINDO から入手しました。すべての溶媒は試薬グレードであり、日本の富士フイルム和光純薬株式会社から入手した。

吸収スペクトルはEvolution 220紫外可視分光光度計(ThermoFisher Scientific)を使用して記録し、蛍光(FL)スペクトルはHitachi F-4500 FL分光蛍光光度計を使用して記録しました。 NMR 測定は、Agilent Unity INOVA 500 または JEOL ECX-400 分光計を使用して実行されました。連続波 EPR 測定は、Bruker EMXplus 分光計を使用して実行されました。サンプルの光照射には、DPSS 532 nm グリーンレーザー (Shanghai Dream Laser Technology)、キセノン/水銀ランプ (浜松ホトニクス株式会社、日本)、または 800 nm フェムト秒レーザー (Coherent Mira 900、パルス幅は 140 fs) を使用しました。）。出力を変えるために、減光フィルターを備えた 404 nm レーザー (Thorlabs、600 mW) を使用しました。

1 は、報告されている手順に従ってわずかに変更を加えて作成および特性評価されました 20。 7-アミノ-4-メチルクマリン(0.175g、1.00mmol)および9-クロロメチルアントラセン(0.227g、1.00mmol)を20mLのアセトニトリルに溶解した。次に、DBU (304 mg、2.00 mmol) を溶液に加え、反応混合物を82℃で6時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、過剰の水を添加すると、黄色の残渣が得られた。溶液の pH は、水溶液を使用して約 6 ～ 7 に調整されました。塩酸。残留物を濾過し、乾燥させた。黄色粉末を熱THFに再溶解し、過剰のトルエンを加えて再沈殿させ、残渣を濾過し、トルエン、次いでアセトンで洗浄して、淡黄色粉末(0.332g、92%)を得た。 λmax (DMF): 354、370、389 nm。 1: 1H NMR (400 MHz、CDCl3) δ = 8.50 (1H)、8.21 (2H)、8.05 (2H)、7.57–7.40 (m、5H)、6.74 (1H)、6.58 (1H)、6.02 (s) 、1H）、5.21（2H）、4.30（1H）、2.40（3H）。

２は次のようなプロセスに従って調製された。

7-(エチルアミノ)-4-メチルクマリン(0.10g、0.49mmol)および9-クロロメチルアントラセン(0.16g、0.73mmol)を10mLのDMFに溶解した。次に、K2CO3 (47 mg、2.9 mmol)およびヨウ化カリウム(5 mg、0.03 mmol)を溶液に加え、反応混合物を85℃で5時間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、過剰の水を添加すると、黄色の残渣が得られた。溶液の pH は、水溶液を使用して約 6 ～ 7 に調整されました。塩酸。残留物を濾過し、乾燥させた。黄色粉末を熱THFに再溶解し、過剰のトルエンを加えて再沈殿させ、残留物を濾過し、トルエン、次いでアセトンで洗浄して、淡黄色粉末(0.10g、51%)を得た。 λmax (DMF): 354、370、389 nm。 1H NMR (500 MHz、CDCl3) δ = 8.52 (s、1H; Ar–H)、8.14–8.16 (d、2H; Ar–H)、8.05–8.07 (d、2H; Ar–H)、7.55–7.48 (m、5H; Ar-H)、6.95 ～ 6.98 (dd、1H; Ar-H)、6.91 ～ 6.92 (d、1H; Ar-H)、6.05 (s、1H; アリル)、5.37 (s、2H) ; N-CH2)、3.06–3.10 (q、2H; N-CH2)、2.42 (s、3H; CH3)、0.77–0.80 (t、3H; CH3)。

センサー分子 (1 または 2; 10.0 μM) および光増感剤 (5.00 μM) の DMF サンプル溶液を、選択的光増感剤励起下で光増感させました。 RBを含むサンプル溶液に532nm（DPSS、50mW）連続発振レーザーを照射しました。 TCPP を含むものは、410 ～ 430 nm のバンドパスフィルターまたは 404 nm (Thorlabs、70 mW) 連続波レーザーを備えたキセノンランプで照射されました。試料溶液をＵＶＬＥＤランプ（アサヒスペクトル社ＣＬ）（３６５ｎｍ、１０ｎｍバンドパス、１．０ｍＷｃｍ−２）で照射した。 FL および吸収スペクトルを照射の前後に記録しました。

２．０ｍＭの１および１．０ｍＭのＲＢを８００μＬのＤＭＦ（ＨＰＬＣグレード）中で混合し、緑色ダイオードレーザー（５３２ｎｍ、５０ｍＷ、１０分間）で照射した。反応混合物を、溶離剤としてＤＭＦを使用するＣ１８－ＭＳ－ＩＩカラム（ナカライ；４．６ｍｍＩＤ×２５０ｍｍ）を備えたＨＰＬＣシステム（Ａｇｉｌｅｎｔ１２２０）に供した。ピーク保持時間２．８分の画分を収集し、暗所で真空中で溶媒を除去した。 DMSO-d6を添加し、NMR分光計で測定した。収率 86% (HPLC プロファイルから推定)。 λmax (DMF): 354 nm、1H NMR (400 MHz、DMSO-d6) δ = 7.53–7.56 (m、4H)、7.49 (s、1H)、7.31–7.33 (m、4H)、6.98 (d、 J = 9.1 Hz、1H)、6.92 (s、1H)、6.86 (t、J = 4.1 Hz、1H)、6.47 (s、1H)、5.98 (s、1H)、4.50 (d、J = 4.1 Hz、 2時間)、2.35(秒、3時間)。

比較のために、HPLC分離を行わなかった反応混合物も測定した。その後、試料溶液にＵＶＬＥＤランプ（アサヒスペクトル社ＣＬ）を照射し（３６５ｎｍ、バンドパス１０ｎｍ、１．０ｍＷｃｍ−２、１０分間）、再度ＮＭＲ分光計で測定した。結果を図S6およびS7に示しました。

一重項酸素の光放出量子収率は、吸収された光子数 (320 nmol) と検出された 1O2 (10.0 nmol × 50% = 5.00 nmol) に基づいて 1.6% と推定されます。 RBの光増感後のサンプル溶液の誘起光と吸光度に基づいて、吸収された光子の数を計算しました。検出された 1O2 のモル数は、使用した 1 (10 μM、0.50 mL) と TEMP のシグナル変化率から TEMPO (50%) として計算されました。

ＤＭＦ中の１（１０．０μＭ）および光増感剤（５．００μＭ）のサンプル溶液を、選択的光増感剤励起下で光増感させた。 RBを含むサンプル溶液に532nm（50mW）の連続発振レーザーを照射しました。次に、SOSG (10 μM) を添加し、UV LED ランプ (Asahi-spectra. Co. CL) (365 nm、10 nm バンドパス、1 mW cm-2) でサンプル溶液を照射しました。ＳＯＳＧを添加する前に、酸素が存在しない条件下で溶液をアルゴンでパージした（５０ｍＬ／分、２０分）。 FL および吸収スペクトルを照射の前後に記録しました。

1 (10.0 μM) およびローズベンガル (10.0 μM) を含む DMF サンプル溶液を 532 nm 緑色レーザー (50 mW) で照射して、1O2 を光増感生成させました。サンプルの FL および吸収スペクトル (5 mm 光路長キュベットに 250 μL) を 30 分間の光増感の前後に記録しました。次に、800 nm fs レーザー (Coherent Mira 900) をサンプル溶液に 40 分間照射し、5 分間隔で FL および吸収スペクトルを記録しました。サンプルの FL 量子収量は、クマリン 120 を基準として使用した相対 FL 量子収量推定によって推定されました。対照実験は、暗所に保管した光増感後の同等のサンプル溶液の FL スペクトルを記録することにより増強係数を比較するために実施されました。

分子構造と電子エネルギーは、ub3lyp/6-311 + + G** レベルの理論 23,24 を使用して、Gaussian16 パッケージ 22 によって最適化および取得されました。 TD-DFT 計算を実行した後、「Pop = (NTO,SaveNTO)」および「Density = (Check,Transition = n)」キーワードを使用して、自然遷移軌道 25 の分子軌道解析を実行しました。

1O2 の生成は、1O2 による酸化を受けて EPR 活性 TEMPO を形成するスピンプローブ TEMP を使用して間接的に監視されました。測定条件は、TEMP 存在下での RB の光増感を評価することによって最適化されました。この目的のために、5mMのTEMPをDMF中の5.00μM RBに添加した。この溶液を、>480nmのロングパスフィルターを備えたキセノンランプで30分間照射した(532nmで50mW)。光増感後、マイクロ波の X バンド周波数 (9.79 GHz) を 1 mW cm-2 の出力で使用して、サンプル溶液の EPR スペクトルを記録しました。 UV 照射下で 1O2 が生成される可能性をチェックするために、1 または RB を 5.00 mM の TEMP の存在下、365 nm で最大発光を示す UV ランプ、2.0 mW cm-2 で 10 分間照射しました。

1O2 の UV 活性化放出を調べるために、1 (10 μM) と RB (5 μM) を含むサンプル溶液を、480 nm 以上のロングパスフィルターを備えたキセノンランプで 30 分間照射しました (532 nm で 50 mW)。。光増感および中間複合体の生成後、5 mM TEMP をサンプル溶液に添加し、10 分間の UV 照射 (365 nm、10 nm バンドパス、2 mW cm-2) の前後で EPR スペクトルを記録しました。１（１０μＭ）およびＲＢ（５μＭ）ならびに５ｍＭのＴＥＭＰを含有するサンプル溶液にＵＶ光（ＵＶ、３６５ｎｍで２ｍＷｃｍ−２）を照射することによって対照実験を行った。

EPR信号の増強率は、1を含まないTEMPおよびRBの存在下でのTEMPOの形成を100％と仮定することによって決定されました（図S7）。

クマリン発色団を有するアントラセンベースの電子供与体・受容体分子（1）（図1a）は、7-アミノ-4-メチルクマリンと9-クロロメチルアントラセンから開始される一段階反応によって合成され、次のような分光学的方法によって特徴付けられました。 NMR 分光分析 (「方法」セクションを参照)。まず、119,20 のアントラセン部分からクマリン部分への分子内電子移動により、1 が非蛍光であることを確認しました。 1 は、緑色光によるローズベンガル (RB) の光増感によって生成される 1O2 と反応して、中程度の蛍光を発するエンドペルオキシド 1-O2 を形成します (図 1)。 1-O2 の形成は、単離された反応生成物の 1D および 2D NMR 測定によって確認されました。 NMR スペクトルは、1-O2 の形成を確認するのに役立ちます。アントラセニル部分に対応するシグナルの高電場シフトは、シグナルをクマリン部分にシフトさせることなく、エンドペルオキシド形成による大きなπ共役の破壊を示しました（図S6およびS7）。観察された相関は、NOESYスペクトル内の信号間のこの割り当てをさらに裏付けています（図S7）。特徴的な相関関係の 1 つは、メチレンプロトンと窒素原子に結合したプロトンからの 4.50 ppm と 6.86 ppm の間で観察されます。また、メチレンプロトンとアントラセニル部分のプロトンからの4.50 ppmと7.53〜7.56 ppmの間の相関は、図S6に示されている帰属の正当性を証明しています。

1O2 の捕捉と光誘起蛍光発生の感知と放出。 (a) 1 と 1O2 の 2 段階反応のスキーム。 3D 分子画像は、DFT で最適化された構造を示しています。 (b) 光増感の 5 分ごと (赤線) とその後の UV 照射 (365 nm、 1.0 mW cm−2) (青線)。 (c) (b) と同じ条件での 1 の蛍光スペクトル (λex: 340 nm)。 (d) (c) の 420 nm でのピーク発光強度の時間追跡。赤と青のバーは、それぞれ 532 nm と 365 nm の光による照射時点を示します。

1-O2 上の UB3LYP/6-311 + + G** レベルで計算された相対生成自由エネルギーの負の値 (1 および 1O2 に対して - 0.66 kcal/mol) も、1-O2 の生成の実現可能性を保証します。 O2 (図S8)。吸収分光観察により、反応生成物に関する情報が得られます。図 1b は、RB の光増感下で時間の関数として記録された 1 の吸収スペクトルを示しています。 390 nm および 370 nm におけるアントラセンの振動バンドの強度は、アントラセニル部分の 1O2 媒介酸化によって減少します 19,26。 UV 照射後、290 nm 付近の吸光度が著しく増加し、エンドペルオキシド 1-O226 の形成が示唆されました。

注目すべきことに、1-O2 の蛍光量子収率は ϕ ~ 0.03 であることが判明し、元の色素部分は蛍光型 (ϕ > 0.5) でエンドペルオキシドを形成する市販の蛍光発生 1O2 プローブ分子ほど高くありません 5,7。 1-O2 (つまり、7-アミノ-4-メチルクマリン、クマリン 120) は非常に蛍光性があります (ϕ = 0.62)19。この結果は、1O2 センシング中の蛍光強度の大幅な増強の可能性と、以下で説明する 1-O2 の光励起における非放射緩和経路の存在を意味します。興味深いことに、1と1O2の間の反応粗生成物または単離された1-O2の両方にUV光（365 nm、1.0 mW cm-2）を短時間照射すると、顕著な蛍光強度の増強が誘導されました（図1cおよびd）。３分間のＵＶ光照射により、開始１からの発光強度の４５倍の増加が生じた。この変化は、1 と 1O2 の反応における生成物の形成を理解するきっかけとなりました。

1-O2 と最終生成物の間の吸収および発光特性の変化は、UV 照射によって分子構造の変化が大幅に加速されたことを示唆しています。アントラキノンは、UV照射後に酸化的転位により得られる生成物の1つ16、27、28、29であり、UV照射後の単離された1-O2の1H-NMRスペクトルによって裏付けられています（図S6cおよびS6d）。分解生成物の定量は、図S6bに示すUV照射後の粗NMRシグナルに基づいて2:1（R-置換クマリン：アントラキノン、モル：モル）と推定されます。ここで、4.0〜5.5 ppmのシグナルは次のとおりです。 R 置換クマリンの水銀については 8.22 ppm、アントラキノンの 4 プロトンについては 8.22 ppm と予想されました。以前の研究16,28のようなエンドペルオキシドではなく、発色団部分の光励起がアントラキノンの生成を引き起こすことは注目に値します。 1 H-NMRスペクトルは、クマリン部分からの特徴的なピーク（2.3および5.97 ppm）を示しました（図S6c）。しかし、芳香族領域のシグナルは複雑さを示し、クマリン部分に由来するいくつかの生成物の形成を示しています。我々は、暗条件下で 1-O2 の中間体を単離することに成功しました。これにより、1O2 の蛍光発生センシングを 1 ずつ時間的に制御できる蛍光生成物が得られます。

UV誘起蛍光増強における反応機構をさらに検証するために、1O2スカベンジャーNaN3の存在下で1の発光スペクトルを記録しました（図2a〜dおよびS5）30、31。図 2a は、1 と 15 当量の RB を含むサンプル溶液の発光スペクトルを示しています。 NaN3の。スペクトルは、532 nm レーザーと UV 照明による光増感中の変化を表します。発光強度は、532 nmレーザー照射中は変化せず、その後のUV照射によってもほとんど変化しませんでした（図2b）。照明前にアルゴンでパージしたサンプル溶液を使用した実験でも同様の結果が得られました（図S3）。この結果は、1-O2 の形成に 1O2 が不可欠に関与していることを証明しています。

1O2 by 1 の時間制御検出。(a) 光増感 (532 nm、50 mW) の 5 分ごとの前後の 1 (10 μM) および RB (5 μM) の溶液の蛍光スペクトル (λex: 340 nm)。 DMF中、1O2スカベンジャーNaN3存在下でのUV光(365nm、1mWcm-2)による光活性化。 (b) 420 nm での時間追跡された相対発光強度。赤と青のバーは、それぞれ 532 nm と 365 nm の光による照射時点を示します。（ c ）30分間の光増感（532 nm、50 mW）、その後のNaN3（150 μM）の添加およびUV光（365 nm、 1mW cm−2）。（ d ）NaN3を含むサンプル溶液（黒）と対照実験としてNaN3を含まないサンプル溶液（赤）の420 nmでの時間追跡相対発光強度。 (e、f) 1-O2 を 30 分から 24 時間の範囲の異なる時間で保存した後の、UV による発光強度の変化。矢印は、各条件の UV 光励起の開始時点を示します。

一方、1-O2 は 1O2 スカベンジャーに対してかなりの安定性を示しました。これを確認するために、1 と RB を含むサンプル溶液に 532 nm レーザーを 30 分間照射し、その後 15 eq. を照射しました。のＮａＮ３を添加し、ＵＶ光で照射した。この場合、UV誘起の蛍光強度の増強が観察されました（図2cおよびd）。したがって、1O2 は 1-O2 の形成においてのみ重要な役割を果たし、UV 光によって引き起こされる発光強度の向上には関与しません。さらに、発光強度増強に対するアントラセン部分の光二量化の寄与を調べるために10,20、RBの存在下または非存在下でのUV照明下での1の光応答を調べました（図S9）。 1-O2 の UV 照射と比較して、どちらの場合もほとんど変化は観察されず、光二量化の重大な寄与は除外されました。したがって、UV光による強度の向上は分子内プロセスによるものであり、光二量化ではなく蛍光生成物の形成と考えられます。

特に、1-O2 は暗室温度条件下で 24 時間以上安定です。 RB の光増感による 1-O2 の形成後、1-O2 をさまざまな期間暗所で保管し、その後 UV 光を照射しました。 1-O2 は安定であることがわかり、これは暗所で 24 時間以上保管されたサンプルの発光強度の UV 誘起増強から明らかです (図 2e および f)。空気中、100℃で30分間加熱して熱安定性を調べました。発光スペクトルは加熱後も変化せず、1-O2 の高い熱安定性を示しています（図S10）。

次に、1-O2 の蛍光が弱い理由を DFT 計算により調べました。 1-O2のクマリン部分上のHOMOとLUMOの局在化は、光励起によるこれらの軌道の最も実現可能な遷移をサポートします（図3a）。また、アントラセニル部分がフロンティア軌道に関与していないため、分子内電子移動は誘導的であり、実現不可能です。励起状態と光誘起遷移経路を理解するために、励起エネルギーと自然遷移軌道（NTO）解析が研究されました（図3bおよびc）。 NTO は、コンパクトなフロンティア軌道 25 を記述することが知られており、電子遷移に関連する 1 電子の特性を表すことができます 33。図3bとcはそれぞれ、各励起状態の励起エネルギーのエネルギー図と、最も高い占有NTO（HONTO、図3cの下、図S10）から最も低い非占有NTO（LUNTO、図3）までの最もありそうな電子遷移を示しています。 . 3c、上) 分子の基底状態 (S0) からの各遷移における。 1-O2 に関する計算により、S1 状態と同等のエネルギーレベルを有する可能性のあるいくつかの三重項励起状態 (T2 ～ T5) が予測されます (図 3b)。エネルギーギャップ < 0.37 eV は、室温での分子振動による項間交差 (ISC) を促進するのに十分であると報告されています 33。さらに、非結合窒素原子上の電子の寄与により、El-Sayed ルール 34 に従って ICS が促進され、1nπ* → 3ππ* への好ましい遷移がサポートされます。このような電荷を持つ電子は、1-O2のNTO（S0→S1およびS0→T5の場合）と1-O2のHONTO（S0→T3）の両方の窒素原子に見られます（図3c）。その結果、S1 状態と T2-T5 状態の間の同等のエネルギー準位が合理化され、窒素原子上の電子から生じる 1nπ* → 3ππ* 遷移が、発光のケージングにつながる効率的な項間交差において重要な役割を果たす可能性があると考えられます。 1-O2。

DMF を溶媒とする自己無撞着反応場 (SCRF) を使用した UB3LYP/6-311 ++G** レベルの理論での 1-O2 の DFT 計算。 (a) HOMO と LUMO。 (b) 計算された励起状態のエネルギー図。 (c) 最も可能性の高い遷移の自然遷移軌道 (NTO)。黒い矢印は遷移の方向を示します。付随する値は、遷移確率と相関する係数を示します。1 と 0 が最も確率が高く、最も確率が低いです。

1-O2 の形成における 1 の分子構造の役割をさらに解明するために、アントラセンの 9 位のさまざまな置換基を調べました (図 S1)。 9-メチルアントラセンでは、光増感とそれに続くUV照射によって、発光強度と吸光度の減少のみが検出されました（図S12）。この結果は、クマリン部分が発光の増強に重要な役割を果たしていることを裏付けています。アミノ基の水素原子の寄与を除外するために、1 (2) の N,N-ジアルキル化誘導体を調べました (図 S1 および S2)。 1の場合と同様に、2でもUV誘発蛍光増強が観察されました（図S13）。これらの結果は、水素原子の寄与が無視できることを示唆しています。アントラセン骨格は、UV 誘起発光強度の向上を達成する上で重要な役割を果たすと考えられます。さらに、DFT 計算は、置換されたアントラセニル部分が 1-O2 の独特の低蛍光に寄与していると結論付けており、これはこれまでに報告されている他のドナー - アクセプター型 1O2 センサー分子とは決定的に異なります。したがって、分子の励起状態工学による蛍光のオン・オフ切り替え特性を示す優れた例である。

EPR は、1O235,36 が関与する反応を研究するために最も広く使用されている技術の 1 つです。注目すべきことに、蛍光および吸収の結果と相関する EPR 結果 (図 4) によって証明されるように、UV (365 nm) 照射は蛍光強度の増強と並行して 1O2 放出を引き起こします。 1 と RB を含む溶液は、プローブの酸化により EPR 活性 N-オキシルラジカル TEMPO36 が生成されるため、1O2 を監視するための立体障害アミンを有するスピンプローブ TEMP の存在下で照射されました。 EPRスペクトルは、RBによる光増感後のUV照射の前後で記録されました。 UV照射後に、TEMPOの形成を示すEPRシグナル強度の顕著な増強が観察されました（図4aおよびb）。 RBの光増感を伴わない対照実験では、UV照射によって引き起こされるEPR信号の増強はまったく生じませんでした（図4cおよびd）。

1とRBのサンプル溶液のEPR測定。 (a) キセノンランプ (480 nm、30 分、50 mW のロングパスフィルター) による照明下で記録された 1 および RB (2:1、mol/mol) のサンプル溶液の EPR スペクトル、その後 TEMP追加した。スペクトルを記録しました: (左) UV 照射 (365 nm、10 分、2 mW cm-2) の前と後 (右)。左の図に見られるトリプレット信号は、TEMP 内の TEMPO からの残留信号に対応します。 (b) (a) に対応する反応スキーム。 (c) 1、RB、TEMP (2:1:1000、mol:mol:mol) の溶液の UV 照射のみを行った対照実験の EPR スペクトル：（左）UV 照射前と（右）UV 照射後(365 nm、10 分、2 mW cm-2)。 (d) (c) に対応する反応スキーム。

また、UV 照射下では 1 も RB も 1O2 を生成せず (図 S14)、TEMP 自体は 1O2 を生成または放出しないことも検証します (図 S15)。さらに、同じ現象、1の存在下でRBを光増感した後にのみ1O2が検出されることは、SOSGまたはSiDMAを使用しても観察されました（図S16およびS17）。 SOSG による 1O2 の検出は、光増感後に O2 を除去しても観察されたため、1-O2 から 1O2 のアンケージングが示されました (図 S17b)。したがって、光トリガーにより、蛍光生成物の形成とともに、1-O2内のケージ化された1O2が放出されると結論付けられました（図1aおよびS6）。また、1O2 放出の調査には市販のセンサー SiDMA を使用しました。 SiDMA の吸光度は減少し、消失します (図 S18)。

照射された光の波長（hv: 365 nm）は、アントラセンエンドペルオキシドが光吸収を持たないため、照明による 1O2 の光誘発放出を示した以前の報告のものよりも大幅に長い（hv: 365 nm）ことに注意する必要があります（hv: 282 nm）。 )16 アントラセン部分について 16,26。さらに、放出は二光子励起によっても検出されました。 1 に結合した色素分子であるクマリンは、エンドペルオキシドからの光誘発放出に使用可能な光の波長を変化させると考えられます。 EPR 信号の強調係数は約 100 です。 1 を使用せずに TEMP および RB を使用した対照と比較して 50% (図 S14)、これは約 50% であることを示唆しています。 50% 1-O2 が光放出された 1O2。残りの 50% の 1-O2 は、1H-NMR 測定で前述したように蛍光クマリン誘導体に変換されるか、サンプル溶液中の未反応の 1 によって再捕捉されます。一重項酸素の光放出量子収率は、吸収された光子数 (320 nmol) と検出された 1O2 (10.0 nmol × 50% = 5.00 nmol) に基づいて 1.6% と推定されます。

NIR 活性分子システムは、NIR 光に対する細胞や組織の透過性により、光線療法、光アンケージングを介した薬物送達、および効率的な化学反応を約束します 37,38,39,40。これに関連して、クマリンは中程度の 2 光子吸収断面積を持っているため、ポンプパルス NIR レーザー活性化下で 1-O2 から 1O2 が放出されることを調査しました。セクション 41 まず、404 nm レーザー励起下で 1 光子励起が活性化されることを確認しました 1。 -O2（図S19）。次に、800 nm パルスレーザー (ピーク出力 7.4 × 1015 W の Coherent Mira 900) による 2 光子励起中の 1-O2 の蛍光と分子構造の特徴を調べました。ここでは、1を含むサンプル溶液中のRBと532nmでRBを光増感した後、近赤外光を照射しました。その結果、1 では 40 分後に蛍光量子効率が 3 倍向上しました。この強化は、1-O2の二光子吸収媒介光活性化による1O2の放出を示唆しており（図S20）、一重項酸素放出効率も約1000であると予想されます。誘導された対光子に対して 1.6%。 NIR光によって引き起こされ、時間的に制御された1O2の放出は、化学、材料科学、生物学などのさまざまな分野での部位特異的な1O2送達のためのこのようなダイアドの有望な使用法を提供します。

我々は、1O2 との反応中のアントラセン - クマリン供与体 - 受容体系 (1) のユニークな特性を明らかにしました。 1 の蛍光発生 1O2 感知能力は、1O2 をトラップして 1-O2 を形成した後、低強度の UV 光または低エネルギー NIR 光によって追加のエネルギーを供給することによってロック解除されます。中間体 1-O2 は、1O2 スカベンジャーや暗所での高温に対して安定です。報告されているエンドペルオキシド型のアントラセン結合分子とは異なり、1-O2 はむしろ非蛍光性です。我々は、光誘発性の蛍光強度の増強は、1-O2 における分子の再配列と独特の項間交差によるものであると考えました。 EPR 分光法を使用して、1-O2 の色素分子に対する UV/NIR 光照射により、光によって引き起こされる 1O2 の放出が約 50% の収率で観察されました。 DFT 計算は、1-O2 の固有の励起状態と分子軌道が 1-O2 の捕捉、蓄積、放出、感知の時間的制御を提供することを裏付けています。本研究の発見は、新しい光機能性分子センサーを作成するための光励起状態工学において貴重な情報を提供します。また、1O2 を介した化学反応や光線力学療法などの広範な分野で、1O2 を空間的および時間的に制御して利用する道も開かれるでしょう。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事とその補足情報ファイルに含まれています。

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文部科学省からは、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究B（19H02550→VB、21H0175301→YT）、挑戦的研究（萌芽）（21K19036→YT）、およびJSPSオープンイノベーションブリッジングダイナミックアライアンスによる財政的支援に感謝します。人間、環境、そして物質。

デヴィカ・サシクマール氏と高野裕太氏も同様に貢献しました。

北海道大学大学院環境科学研究科〒060-0810 札幌市北区西5条N10

デヴィカ・サシクマール、高野裕太、ハンジュン・チャオ、小原麗子、ヴァスデヴァンピライ・ビジュ

北海道大学電子科学研究所、〒001-0020 札幌市北区N20、W10

Yuta Takano & Vasudevanpillai Biju

〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1 神戸大学大学院理学研究科化学専攻

Morihiko Hamada & Yasuhiro Kobori

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VB がアイデアを考案し、プロジェクトを指揮しました。 DS、HZ、RK、YT が分子を合成し、データを取得して分析しました。 DS、MH、YK は EPR 実験を実施しました。 VB、DS、YTが原稿を書きました。著者全員が原稿の編集に協力しました。 DS と YT はこの作業に等しく貢献しました。

Correspondence to Yuta Takano or Vasudevanpillai Biju.

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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Sasikumar, D.、Takano, Y.、Zhao, H. et al. 電子供与体・受容体結合分子センサーの励起状態工学による一重項酸素のケージングと光誘発アンケージング。 Sci Rep 12、11371 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15054-4

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受信日: 2022 年 4 月 30 日

受理日: 2022 年 6 月 17 日

公開日: 2022 年 7 月 5 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15054-4

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