Фотосенсибилизаторы — это поглотители света, которые изменяют ход фотохимической реакции . Обычно они являются катализаторами . [1] Они могут функционировать по многим механизмам: иногда они отдают электрон субстрату, иногда они отрывают атом водорода от субстрата. В конце этого процесса фотосенсибилизатор возвращается в свое основное состояние , где он остается химически нетронутым, готовым поглотить больше света. [2] [3] [4] Одной из ветвей химии, которая часто использует фотосенсибилизаторы, является полимерная химия , использующая фотосенсибилизаторы в таких реакциях, как фотополимеризация , фотосшивание и фотодеградация . [5] Фотосенсибилизаторы также используются для создания продолжительных возбужденных электронных состояний в органических молекулах с использованием в фотокатализе , апконверсии фотонов и фотодинамической терапии . Как правило, фотосенсибилизаторы поглощают электромагнитное излучение , состоящее из инфракрасного излучения , видимого светового излучения и ультрафиолетового излучения , и передают поглощенную энергию соседним молекулам. Это поглощение света стало возможным благодаря большим делокализованным π-системам фотосенсибилизаторов , что снижает энергию HOMO и LUMO орбиталей для содействия фотовозбуждению . Хотя многие фотосенсибилизаторы являются органическими или металлоорганическими соединениями, существуют также примеры использования полупроводниковых квантовых точек в качестве фотосенсибилизаторов. [6]
Фотосенсибилизаторы поглощают свет (hν) и передают энергию падающего света в другую близлежащую молекулу либо напрямую, либо посредством химической реакции. При поглощении фотонов излучения падающего света фотосенсибилизаторы переходят в возбужденное синглетное состояние . Затем одиночный электрон в возбужденном синглетном состоянии переключается в свое собственное спиновое состояние посредством интеркомбинационной конверсии, становясь возбужденным триплетным состоянием . Триплетные состояния обычно имеют более длительное время жизни, чем возбужденные синглеты. Более продолжительное время жизни увеличивает вероятность взаимодействия с другими молекулами поблизости. Фотосенсибилизаторы испытывают различные уровни эффективности для интеркомбинационной конверсии на разных длинах волн света в зависимости от внутренней электронной структуры молекулы. [2] [7]
Чтобы молекула считалась фотосенсибилизатором:
Важно отличать фотосенсибилизаторы от других фотохимических взаимодействий, включая, помимо прочего, фотоинициаторы , фотокатализаторы , фотокислоты и фотополимеризацию . Фотосенсибилизаторы используют свет для осуществления химического изменения в субстрате; после химического изменения фотосенсибилизатор возвращается в свое исходное состояние, оставаясь химически неизменным в процессе. Фотоинициаторы поглощают свет, чтобы стать реактивным видом, обычно радикалом или ионом , где он затем реагирует с другим химическим видом. Эти фотоинициаторы часто полностью химически изменяются после своей реакции. Фотокатализаторы ускоряют химические реакции, которые зависят от света. Хотя некоторые фотосенсибилизаторы могут действовать как фотокатализаторы, не все фотокатализаторы могут действовать как фотосенсибилизаторы. Фотокислоты (или фотооснования) — это молекулы, которые становятся более кислыми (или основными) при поглощении света. Фотокислоты увеличивают кислотность при поглощении света и термически реассоциируют обратно в свою исходную форму при релаксации. Фотокислотные генераторы претерпевают необратимые изменения, становясь кислотными видами при поглощении света. Фотополимеризация может происходить двумя способами. Фотополимеризация может происходить напрямую, когда мономеры поглощают падающий свет и начинают полимеризоваться, или она может происходить через процесс, опосредованный фотосенсибилизатором, когда фотосенсибилизатор сначала поглощает свет, а затем передает энергию видам мономеров. [8] [9]
Фотосенсибилизаторы существуют в природных системах с тех пор, как хлорофилл и другие светочувствительные молекулы стали частью жизни растений, но исследования фотосенсибилизаторов начались еще в 1900-х годах, когда ученые наблюдали фотосенсибилизацию в биологических субстратах и при лечении рака. Механистические исследования, связанные с фотосенсибилизаторами, начались с того, что ученые анализировали результаты химических реакций, в которых фотосенсибилизаторы фотоокисляли молекулярный кислород в пероксидные виды. Результаты были поняты путем расчета квантовой эффективности и флуоресцентных выходов при различных длинах волн света и сравнения этих результатов с выходом реактивных форм кислорода . Однако только в 1960-х годах механизм донорства электронов был подтвержден с помощью различных спектроскопических методов, включая исследования промежуточных продуктов реакции и исследования люминесценции . [8] [10] [11]
Термин фотосенсибилизатор не появлялся в научной литературе до 1960-х годов. Вместо этого ученые называли фотосенсибилизаторами сенсибилизаторы, используемые в процессах фотоокисления или фотооксигенации. Исследования, проводившиеся в этот период времени с участием фотосенсибилизаторов, использовали органические фотосенсибилизаторы, состоящие из ароматических углеводородных молекул, которые могли бы способствовать реакциям синтетической химии. Однако к 1970-м и 1980-м годам фотосенсибилизаторы приобрели привлекательность в научном сообществе из-за их роли в биологических процессах и ферментативных процессах. [12] [13] В настоящее время фотосенсибилизаторы изучаются на предмет их вклада в такие области, как сбор энергии, фотоокислительно-восстановительный катализ в синтетической химии и лечение рака. [11] [14]
Существует два основных пути фотосенсибилизированных реакций. [15]
В фотосенсибилизированных реакциях типа I фотосенсибилизатор возбуждается источником света в триплетное состояние. Затем возбужденный триплетный фотосенсибилизатор реагирует с молекулой субстрата, которая не является молекулярным кислородом, как с образованием продукта, так и с преобразованием фотосенсибилизатора. Фотосенсибилизированные реакции типа I приводят к тому, что фотосенсибилизатор гасится другим химическим субстратом, нежели молекулярный кислород. [2] [16]
В фотосенсибилизированных реакциях типа II фотосенсибилизатор возбуждается источником света в триплетное состояние. Затем возбужденный фотосенсибилизатор реагирует с молекулой кислорода в основном состоянии, триплетной молекулой . Это возбуждает молекулу кислорода в синглетное состояние, делая ее реактивной формой кислорода . При возбуждении молекула синглетного кислорода реагирует с субстратом с образованием продукта. Фотосенсибилизированная реакция типа II приводит к тому, что фотосенсибилизатор гасится молекулой кислорода в основном состоянии, которая затем продолжает реагировать с субстратом с образованием продукта. [2] [17] [18]
Фотосенсибилизаторы можно разделить на три обобщенных домена на основе их молекулярной структуры. Эти три домена — металлоорганические фотосенсибилизаторы, органические фотосенсибилизаторы и наноматериальные фотосенсибилизаторы.
Металлоорганические фотосенсибилизаторы содержат атом металла, хелатированный по крайней мере с одним органическим лигандом . Фотосенсибилизирующие способности этих молекул являются результатом электронных взаимодействий между металлом и лигандом(ами). Популярные богатые электронами металлические центры для этих комплексов включают иридий , рутений и родий . Эти металлы, а также другие, являются обычными металлическими центрами для фотосенсибилизаторов из-за их высокозаполненных d-орбиталей или большого количества d-электронов , способствующих переносу заряда от металла к лиганду от лигандов, принимающих пи-электроны. Это взаимодействие между металлическим центром и лигандом приводит к большому континууму орбиталей как в пределах самой высокой занятой молекулярной орбитали (HOMO), так и самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO), что позволяет возбужденным электронам переключать множественности посредством интерсистемной конверсии. [19]
Хотя многие металлоорганические фотосенсибилизаторы производятся синтетически, существуют также встречающиеся в природе металлоорганические фотосенсибилизаторы, собирающие свет . Некоторые соответствующие примеры встречающихся в природе металлоорганических фотосенсибилизаторов включают хлорофилл А и хлорофилл В. [ 19] [20]
Органические фотосенсибилизаторы — это молекулы на основе углерода, которые способны к фотосенсибилизации. Самые ранние изученные фотосенсибилизаторы были ароматическими углеводородами, которые поглощали свет в присутствии кислорода, производя активные формы кислорода. [21] Эти органические фотосенсибилизаторы состоят из высокосопряженных систем , которые способствуют делокализации электронов . Благодаря своей высокой сопряженности эти системы имеют меньший зазор между высшей занятой молекулярной орбиталью (HOMO) и низшей незанятой молекулярной орбиталью (LUMO), а также континуум орбиталей внутри HOMO и LUMO. Меньшая ширина запрещенной зоны и континуум орбиталей как в зоне проводимости, так и в валентной зоне позволяют этим материалам более эффективно входить в свое триплетное состояние, что делает их лучшими фотосенсибилизаторами. Некоторые известные органические фотосенсибилизаторы, которые были тщательно изучены, включают бензофеноны, метиленовый синий, бенгальский розовый, флавины, птерины [22] и другие. [23]
Коллоидные квантовые точки — это наноразмерные полупроводниковые материалы с высоконастраиваемыми оптическими и электронными свойствами. Квантовые точки фотосенсибилизируются по тому же механизму, что и металлоорганические фотосенсибилизаторы и органические фотосенсибилизаторы, но их наноразмерные свойства позволяют лучше контролировать отличительные аспекты. Некоторые ключевые преимущества использования квантовых точек в качестве фотосенсибилизаторов включают их небольшую настраиваемую запрещенную зону , которая позволяет осуществлять эффективные переходы в триплетное состояние, и их нерастворимость во многих растворителях, что позволяет легко извлекать их из синтетической реакционной смеси. [18]
Наностержни , схожие по размеру с квантовыми точками, обладают настраиваемыми оптическими и электронными свойствами. В зависимости от их размера и состава материала можно настраивать максимальный пик поглощения для наностержней во время их синтеза. Этот контроль привел к созданию фотосенсибилизирующих наностержней. [24]
Фотодинамическая терапия использует фотосенсибилизаторы типа II для сбора света для разрушения опухолей или раковых масс. Это открытие было впервые обнаружено еще в 1907 году Германом фон Таппейнером , когда он использовал эозин для лечения опухолей кожи. [11] Фотодинамический процесс является преимущественно неинвазивной техникой, при которой фотосенсибилизаторы помещаются внутрь пациента, чтобы они могли накапливаться на опухоли или раке. Когда фотосенсибилизатор достигает опухоли или рака, свет определенной длины волны освещает внешнюю сторону пораженной области пациента. Этот свет (предпочтительно близкая к инфракрасной частота, поскольку это позволяет проникать через кожу без острой токсичности) возбуждает электроны фотосенсибилизатора в триплетное состояние. После возбуждения фотосенсибилизатор начинает передавать энергию соседнему триплетному кислороду основного состояния для генерации возбужденного синглетного кислорода . Полученные возбужденные формы кислорода затем избирательно разрушают опухоль или раковую массу. [24] [25] [17]
В феврале 2019 года ученые-медики объявили, что иридий , присоединенный к альбумину , создавая фотосенсибилизированную молекулу, может проникать в раковые клетки и после облучения светом (процесс, называемый фотодинамической терапией ) уничтожать раковые клетки. [26] [27]
В 1972 году ученые обнаружили, что хлорофилл может поглощать солнечный свет и передавать энергию в электрохимические ячейки. [28] Это открытие в конечном итоге привело к использованию фотосенсибилизаторов в качестве материалов, собирающих солнечный свет, в солнечных ячейках, в основном за счет использования фотосенсибилизированных красителей. Солнечные ячейки, сенсибилизированные красителями, используют эти фотосенсибилизированные красители для поглощения фотонов из солнечного света и передачи богатых энергией электронов соседнему полупроводниковому материалу для генерации выходной электрической энергии. Эти красители действуют как легирующие примеси на полупроводниковых поверхностях, что позволяет передавать световую энергию от фотосенсибилизатора к электронной энергии внутри полупроводника. Эти фотосенсибилизаторы не ограничиваются красителями. Они могут принимать форму любой фотосенсибилизирующей структуры в зависимости от полупроводникового материала, к которому они прикреплены. [16] [14] [29] [30]
Поглощая свет, фотосенсибилизаторы могут использовать триплетный перенос состояния для восстановления малых молекул, таких как вода, для получения водорода. На данный момент фотосенсибилизаторы генерируют водород путем расщепления молекул воды в небольших лабораторных масштабах. [31] [32]
В начале 20 века химики заметили, что различные ароматические углеводороды в присутствии кислорода могут поглощать свет определенной длины волны, образуя пероксидные виды. [12] Это открытие восстановления кислорода фотосенсибилизатором привело к тому, что химики начали изучать фотосенсибилизаторы как фотоокислительно-восстановительные катализаторы для определения их роли в катализе перициклических реакций и других восстановительных и окислительных реакций. Фотосенсибилизаторы в синтетической химии позволяют манипулировать электронными переходами внутри молекул с помощью внешнего источника света. Эти фотосенсибилизаторы, используемые в окислительно-восстановительной химии, могут быть органическими, металлоорганическими или наноматериалами в зависимости от физических и спектральных свойств, необходимых для реакции. [16] [23]
Фотосенсибилизаторы, которые легко встраиваются во внешние ткани, могут увеличить скорость, с которой генерируются активные формы кислорода при воздействии УФ-излучения (например, солнечного света, содержащего УФ-излучение). Некоторые фотосенсибилизирующие агенты, такие как зверобой, по-видимому, увеличивают частоту воспалительных заболеваний кожи у животных и, как было замечено, немного снижают минимальную дозу загара у людей. [33] [34]
Вот некоторые примеры фотосенсибилизирующих препаратов (как исследуемых, так и одобренных для применения у людей):