内容提要
本研究提出一种分子设计策略，将硫 -π（S-π）相互作用与聚集诱导发光（AIE）相结合，以提升近红外二区（NIR-II）光敏剂在生物医学应用中的性能。研究通过系统性的苯基向噻吩取代，精准调控 S-π 相互作用，合成了四种 AIE 分子（P-THX、T-THX、TP-THX 和 TT-THX）。这些相互作用降低了单重态 - 三重态能隙（ΔEₛₜ），扩展了 π 共轭体系，并促进系间窜越（ISC），从而增强活性氧（ROS）的生成。单晶分析表明，S-π 相互作用可形成连续的电子耦合网络，其性能优于传统的 π-π 堆积排列。噻吩取代的 TT-THX 表现出优异的光物理性质，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有强效的光动力抗菌活性。将 TT-THX 制备成纳米颗粒后，可实现有效的伤口愈合，凸显了经 S-π 相互作用工程化设计的 AIE 光敏剂的治疗潜力。
我们设计并合成了四种分子：P-THX、T-THX、TP-THX 和 TT-THX，它们均以稠合四氢呫吨（THX）为核心构建单元。P-THX 作为无噻吩取代的对照分子，主要通过分子间 π-π 堆积形成层状结构，层间距为 3.45 Å。T-THX 由于引入了一个噻吩基，开始出现弱的 S-π 相互作用（S 与芳香环中心距离为 3.62 Å），但分子堆积仍以 π-π 作用为主。TP-THX 含有两个噻吩基，S-π 相互作用增强（距离缩短至 3.51 Å），同时保留了部分 π-π 堆积。而 TT-THX 作为全噻吩取代分子，形成了以 S-π 相互作用为主导的三维网络结构，S 与相邻噻吩环的平均距离为 3.48 Å，且分子间无明显的 π-π 堆积（层间距大于 4.0 Å）。
紫外-可见-近红外吸收光谱显示，四种分子在二氯甲烷溶液中的最大吸收波长依次红移：P-THX 为 685 nm，T-THX 为 712 nm，TP-THX 为 748 nm，TT-THX 为 802 nm。这种红移趋势与噻吩取代数量增加导致的共轭体系扩展及 S-π 相互作用增强密切相关。荧光光谱测试表明，在溶液状态下，四种分子的荧光量子产率（QY）均较低（<1%），这是由于分子内旋转导致的非辐射跃迁增强。然而，在聚集状态（水 / 四氢呋喃混合溶液，水体积分数 90%）下，TT-THX 表现出显著的聚集诱导发光（AIE）效应，QY 达到 8.2%，几乎是 TP-THX（2.1%）的四倍。这种明显差异证实，尽管 TP-THX 中传统的 π-π 堆积导致一定程度的聚集淬灭（ACQ），但 TT-THX 中引入的 S-π 相互作用不仅产生了更显著的红移（160 nm vs 83 nm），还大幅提升了发射效率。
我们还研究了溶剂极性对四种分子光物理性质的影响。在极性较低的甲苯中，四种分子的荧光发射峰均较为尖锐；而在极性较高的乙腈中，发射峰显著宽化且红移，同时荧光强度明显降低。这种溶剂致变色现象通常与扭曲分子内电荷转移（TICT）过程相关 —— 在高极性溶剂中，分子更容易发生扭曲，形成 TICT 态，从而导致非辐射跃迁增强和荧光淬灭。TT-THX 在不同极性溶剂中的荧光量子产率变化最为显著（甲苯中为 2.3%，乙腈中为 0.1%），表明其 TICT 效应更为明显，这可能与噻吩基的柔性及 S-π 相互作用对分子构象的影响有关。瞬态吸收光谱测试显示，TT-THX 在乙腈中的激发态寿命（1.2 ns）明显短于在甲苯中的寿命（3.5 ns）。这些光谱变化进一步证实了 TICT 的存在。
为了探究 S-π 相互作用的本质，我们对 TT-THX 二聚体进行了量子化学计算。优化后的二聚体结构显示，一个分子中的噻吩环硫原子与相邻分子中苯基的距离为 3.42 Å，处于典型的 S-π 相互作用范围（3.2-3.8 Å）内。此外，噻吩环平面与苯基平面之间的二面角为 15.3°，这种倾斜构型有利于硫原子的孤对电子与芳香环的 π 电子云发生相互作用。我们进一步通过分子中的原子（AIM）理论分析了二聚体的键临界点（BCP）。在 S 原子和苯基中心之间检测到一个键临界点，其电子密度（ρ）为 0.008 a.u.，拉普拉斯值（∇²ρ）为 0.025 a.u.。这些数值符合弱非共价相互作用的特征，进一步证实了 S-π 相互作用的存在。能量分解分析（EDA）表明，这种相互作用的主要贡献来自色散力（约 65%），其次是静电相互作用（约 25%）和轨道相互作用（约 10%）。这一结果表明，S-π 相互作用本质上是一种以色散力为主的弱非共价相互作用，但静电效应也起到了重要的调节作用。
尽管 TP-THX 和 TT-THX 均表现出相互作用，但只有 TT-THX 显示出显著的发射红移（红移 160 nm，而 TP-THX 仅红移 83 nm）。这种明显差异可直接归因于 TT-THX 中存在的 S-π 相互作用，而 TP-THX 中完全没有这种相互作用。S-π 相互作用通过在整个晶体结构中形成连续网络，从根本上改变了分子间的电子耦合，这与 TP-THX 中仅由 π-π 堆积形成的离散二聚体排列不同。强 S-π 相互作用使激发态能更有效地在多个分子单元上离域，导致能隙显著变窄，从而观察到发射光谱的显著红移。量子产率测量进一步证明了 S-π 相互作用的独特影响。TP-THX 聚集体（仅存在 π-π 堆积）的量子产率为 2.2%，而 TT-THX 聚集体（同时存在 π-π 和 S-π 相互作用）的量子产率则高达 8.2%，几乎是前者的四倍。这种显著差异证实，虽然传统的 π-π 堆积会导致一定程度的聚集淬灭（ACQ），但 S-π 相互作用不仅能抑制 ACQ，还能通过优化分子堆积和电子耦合来增强荧光发射效率。
我们通过二氯荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）探针评估了四种分子的 ROS 生成效率，结果显示 TT-THX 的 ROS 生成量显著高于其他三种分子。这一结果与理论计算一致：S-π 相互作用降低了单重态 - 三重态能隙（ΔE_ST），促进了系间窜越（ISC）过程，而 ISC 效率通常随能隙减小呈指数增长。为确定 TT-THX 产生的特定 ROS 类型，我们使用了选择性指示剂：羟基自由基（・OH）指示剂（HPF）、超氧阴离子自由基（・O²⁻）指示剂（DHR123）和单线态氧（¹O₂）指示剂（SOSG）[63,64]。结果显示，光照后 HPF 和 DHR123 的荧光显著增强，而 SOSG 的荧光增幅极小，证实 TT-THX 主要产生 I 型 ROS（・OH 和・O²⁻），而非 II 型 ROS（¹O₂）。I 型 ROS 生成的选择性可通过 S-π 相互作用诱导的电子结构改变来解释：这些相互作用改变了前线分子轨道的分布和能级，形成了更有利于电子转移给氧（形成・O²⁻）而非能量转移（形成 ¹O₂）的电子构型。S-π 相互作用促进了激发分子内的电荷分离，增强了其向氧分子供电子的能力。在 S-π 相互作用的驱动下，TT-THX 优化的光物理性质直接转化为优异的治疗性能。我们利用微流控技术制备了 TT-THX 纳米颗粒（TT-THX NPs），得到了稳定的制剂，其平均粒径约为 10 nm，zeta 电位为 - 19.53 mV。对其光学性质的研究表明，吸收光谱和发射光谱均随时间保持不变，证实其在 PBS 溶液中具有优异的稳定性。
为评估 TT-THX 纳米颗粒（TT-THX NPs）的抗菌潜力，我们将其与金黄色葡萄球菌（SA）共培养，观察到仅 20 分钟内细菌就被快速染色。荧光成像证实了它们与金黄色葡萄球菌的强相互作用。快速的细菌结合能力与高活性氧（ROS）生成能力相结合，使 TT-THX NPs 能有效清除细菌。我们通过菌落形成单位（CFU）测定量化了其抗菌效果，结果显示，在 808 nm 激光照射下（功率密度 0.5 W・cm⁻²，照射时间 5 分钟），TT-THX NPs 对金黄色葡萄球菌的杀灭率高达 99.9%，而在无光照条件下或单独使用激光照射时，抗菌效果可忽略不计。TT-THX NPs 对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）也表现出优异的抗菌活性，杀灭率达 99.8%，这表明其对耐药菌同样有效。为探究抗菌机制，我们进行了扫描电子显微镜（SEM）观察，发现经 TT-THX NPs 和光照处理后，细菌细胞膜出现明显破损和内容物泄漏，而对照组细菌形态完整。这一结果证实，TT-THX NPs 通过光动力作用产生的 ROS 破坏细菌细胞膜，从而发挥抗菌活性。受优异抗菌效果的鼓舞，我们进一步探索了 TT-THX NPs 在细菌感染伤口光动力治疗（PDT）中的潜力。我们在小鼠背部皮肤建立全层切除伤口模型，并在感染后 4 天、7 天和 14 天监测伤口愈合过程。在 PBS 对照组中，7 天时可见明显的感染迹象，而光动力治疗组的感染显著减轻。值得注意的是，接受 TT-THX NPs 和光照处理的小鼠，其伤口尺寸更小，愈合速度快于对照组。重要的是，治疗组小鼠未观察到明显的体重下降，证实了 TT-THX NPs 良好的生物相容性。此外，溶血实验进一步证明了其优异的生物相容性：在 40 μM 浓度下，溶血率仅为 5%。
总结
本研究通过策略性调控硫 -π（S-π）相互作用可显著提升近红外二区（NIR-II）聚集诱导发光（AIE）光敏剂的性能。我们通过在四种 AIE 分子（P-THX、T-THX、TP-THX 和 TT-THX）中系统性引入噻吩单元，建立了明确的构效关系。S-π 相互作用增强了分子刚性和 π 共轭体系，从而实现显著的光谱红移和更高的量子产率。其中，TT-THX 表现出 160 nm 的显著红移和 8.2% 的量子产率，而 TP-THX 仅为 83 nm 红移和 2.2% 的量子产率。这些相互作用降低了单重态 - 三重态能隙（ΔEₛₜ），提高了系间窜越（ISC）效率和活性氧（ROS）生成量。这一结果证实，相较于传统的 π-π 堆积，S-π 相互作用能更有效地增强光物理性能。凭借优化的发射特性和提升的 ISC 效率，TT-THX 在光动力抗菌治疗中展现出巨大潜力。制备的 TT-THX 纳米颗粒（TT-THX NPs）对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有强效的光动力抗菌活性，并能显著加速小鼠模型的伤口愈合。
参考文献
Sulfur- π Interaction: A New Strategy for Designing NIR-II AIE Photosensitizer for Wound Healing.Haifei Wen, Ziwei Deng, Ruihua Dong, Zicong Zhang, Ximing Chen, Gian Albert Alfani, Wen-Jin Wang, Zijie Qiu, Parvej Alam,* Zheng Zhao,* and Ben Zhong Tang*.Adv. Funct. Mater. 2025, 2508015.https://doi.org/10.1002/adfm.202508015
