اولین مولکول دوکاره جهان: انقلابی در OLED و تصویربرداری پزشکی
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، نمایشگر‌های OLED به موادی نیاز دارند که بتوانند نور را با راندمان بسیار بالایی منتشر کنند، در حالی که تصویربرداری پزشکی از بافت‌های عمیق به ترکیباتی متکی است که نور را به گونه‌ای جذب می‌کنند که آسیب به سلول‌های زنده را به حداقل برساند. این دو دنیا مدت‌هاست که به راه‌حل‌های جداگانه‌ای نیاز دارند، تا به امروز.
محققان دانشگاه کیوشو یک مولکول آلی واحد توسعه داده‌اند که می‌تواند در هر دو نقش برتر باشد و به طور بالقوه لوازم الکترونیکی مصرفی و تشخیص‌های زیست‌پزشکی را به طور یکسان متحول کند.
این مطالعه، ماده‌ای نوآورانه را به نمایش می‌گذارد که انتشار نور کارآمدی را برای صفحه نمایش‌های نسل بعدی و جذب نور قوی را برای تصویربرداری با دقت بالا در اعماق بدن ارائه می‌دهد.
این کشف می‌تواند راه را برای دستگاه‌هایی که سرگرمی و مراقبت‌های بهداشتی را به هم پیوند می‌دهند، هموار کند و با استفاده از یک مولکول، نمایشگر‌های روشن‌تر را روشن کرده و امکان تشخیص ایمن‌تر و دقیق‌تر را فراهم کند.
ادغام دو ویژگی مبهم
OLEDها نمایشگر‌های مدرن، از تلفن‌های هوشمند گرفته تا تلویزیون‌های بزرگ را در بر می‌گیرند. بهبود کارایی آنها اغلب شامل فلورسانس تأخیری فعال‌شده با حرارت (TADF) است.
این فرآیند، انرژی حالت سه‌تایی که معمولاً هدر می‌رود را با استفاده از گرمای محیط به حالت‌های تک‌تایی ساطع‌کننده نور تبدیل می‌کند. موادی با TADF قوی می‌توانند نمایشگر‌ها را روشن‌تر و از نظر انرژی کارآمدتر کنند.
در پزشکی، تصویربرداری از بافت‌های عمیق به موادی نیاز دارد که با نور کم‌انرژی نزدیک به مادون قرمز کار کنند تا پراکندگی و آسیب را کاهش دهند. جذب دو فوتونی (۲PA) با اجازه دادن به یک مولکول برای جذب همزمان دو فوتون کم‌انرژی‌تر، به این هدف دست می‌یابد.
این تکنیک فقط بافت را در نقطه کانونی لیزر تحریک می‌کند و تصویربرداری واضح‌تر و ایمن‌تری را امکان‌پذیر می‌سازد.
ترکیب TADF قوی و ۲PA بالا در یک مولکول مدت‌هاست که یک چالش بوده است. TADF در ساختار‌های مولکولی پیچ‌خورده با اوربیتال‌های الکترونی جدا از هم بهترین عملکرد را دارد. ۲PA معمولاً به ساختار‌های مسطح با همپوشانی اوربیتال‌های بالا نیاز دارد.
این خواسته‌ها اغلب با هم در تضاد هستند و همین امر باعث می‌شود مولکول‌های دوکاره نادر باشند.
برای حل این مشکل، تیم کیوشو مولکولی به نام CzTRZCN طراحی کرد. این مولکول یک واحد کربازول غنی از الکترون را با یک هسته تریازین فاقد الکترون ترکیب می‌کند.
گروه‌های سیانو با کشیدن الکترون‌ها به سمت خود، آرایش اوربیتال‌ها را به دقت تنظیم می‌کنند.
این معماری به مولکول اجازه می‌دهد تا به عنوان یک «سوئیچ» عمل کند. در طول جذب، CzTRZCN همپوشانی اوربیتال کافی را برای ۲PA کارآمد حفظ می‌کند. پس از برانگیختگی، ساختار را به اوربیتال‌های جداگانه تغییر می‌دهد و TADF را فعال می‌کند.
این تیم این رفتار دوگانه را با محاسبات نظری و آزمایش‌ها تأیید کرد. در یک دستگاه OLED، CzTRZCN به بازده کوانتومی خارجی ۱۳.۵٪ رسید که رکوردی برای مواد TADF مبتنی بر تریازین است.
همچنین سطح مقطع ۲PA بالایی و روشنایی قوی نشان داد که آن را برای تصویربرداری پزشکی امیدوارکننده می‌کند.
یوهی چیتوز، محقق ارشد، گفت که ماهیت عاری از فلز و کم سمیت این مولکول، آن را بسیار زیست سازگار و برای کاوشگر‌های پزشکی ایده‌آل می‌کند.
میکروسکوپ فلورسانس با تفکیک زمانی می‌تواند به طور ویژه از عملکرد این ماده بهره‌مند شود.
به سوی کاربرد‌های گسترده‌تر
این مطالعه، راهبردی را برای ایجاد مولکول‌هایی با آرایش‌های مداری مختلف برای جذب و انتشار نور ارائه می‌دهد. این رویکرد می‌تواند الهام‌بخش مواد چندمنظوره جدیدی فراتر از کاربرد‌های پزشکی و نمایشی باشد.
چیتوز گفت که این تیم قصد دارد این طرح را گسترش دهد تا طول موج‌های انتشار بیشتری را پوشش دهد و با مهندسان زیست‌پزشکی و دستگاه‌ها همکاری کند. کاربرد‌های احتمالی شامل تصویربرداری درون‌تنی، حسگر‌های پوشیدنی و نمایشگر‌های OLED نسل بعدی است.
این کار با پیوند دادن فوتوالکترونیک و تصویربرداری زیستی، در‌هایی را برای دستگاه‌هایی می‌گشاید که به طور یکپارچه بین لوازم الکترونیکی مصرفی و مراقبت‌های بهداشتی ارتباط برقرار می‌کنند.
در صورت مقیاس‌بندی، CzTRZCN می‌تواند به ایجاد صفحه نمایش‌های روشن‌تر و کارآمدتر و ابزار‌های تصویربرداری دقیق‌تر و کمتر تهاجمی در پزشکی کمک کند.
این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.