Engineering and characterization of BODIPY-based donor–acceptor–heavy atom molecular architectures for efficient triplet photosensitizers = 효율적인 삼중항 광감각제를 위한 BODIPY 기반 도너-억셉터-중원자 분자구조의 설계 및 특성 규명

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of high-performance triplet photosensitizers is essential for advancing both triplet–triplet annihilation upconversion (TTA-UC) technologies and photodynamic therapy (PDT). In this work, we present a comprehensive molecular design strategy based on a donor–acceptor–heavy atom (D-A-H) architecture that enables the simultaneous expression of photoinduced electron transfer (PET) and the heavy atom effect (HAE), thereby achieving synergistic enhancement of intersystem crossing (ISC). First, a series of D-A-H molecules (PY-BDP-2Cl, PY-BDP-2Br, and PY-BDP-2I) incorporating different heavy atoms were synthesized to elucidate the influence of halogen identity on ISC and TTA-UC performance. Increasing the atomic mass from chlorine to iodine resulted in progressively higher triplet yields and upconversion efficiencies, with PY-BDP-2I exhibiting outstanding singlet oxygen quantum yield (Φ_Δ = 0.93) and upconversion quantum yield (Φ_UC = 4.84%), significantly surpassing previously reported non–D-A-H BODIPY photosensitizers. Complementary density functional theory (DFT) calculation and transient absorption spectroscopy clarified the excited-state dynamics underpinning these enhancements.
Building upon these results, we further investigated how donor strength and structural rigidity modulate PET and HAE within D-A-H systems. A series of five aromatic hydrocarbon donors with systematically varied electron-donating abilities and steric bulk were incorporated, enabling precise control over the dihedral angles, charge-transfer levels, and spin–orbit charge transfer intersystem crossing (SOCT-ISC) efficiencies. This approach successfully improved ISC rates, triplet lifetimes, and upconversion quantum yields beyond those attainable solely through heavy atom substitution, while offering mechanistic insight into the cooperative interplay between PET and HAE.
Finally, to extend the D-A-H framework toward biomedical applications, three red-light-absorbing BODIPY-based photosensitizers (Sty-BDP-NO2, Sty-BDP-H, and Sty-BDP-OCH3) were designed via substituent-controlled modulation of frontier orbital energies and charge transfer (CT) character. Sty-BDP-NO2 exhibited the strongest CT contribution and delivered the highest singlet oxygen quantum yield (Φ_Δ = 0.775). Nanoparticle formulation using Pluronic F127 provided excellent aqueous dispersibility, suppressed aggregation-caused quenching (ACQ), and preserved photophysical stability under extended irradiation. The resulting nanoparticles demonstrated minimal dark cytotoxicity and strong light-induced reactive oxygen species (ROS) generation and photocytotoxicity in cellular assays, confirming their suitability as next-generation PDT agents.
Collectively, this study establishes a unified molecular design paradigm in which PET- and HAE-driven mechanisms are synergistically integrated into a D-A-H framework to yield highly efficient triplet photosensitizers. The systematic structure–property relationships revealed herein provide versatile guidelines for developing long-wavelength, high-efficiency triplet sensitizers for both TTA-UC and PDT applications.

국문 초록 (Abstract)

고성능 삼중항 광감각제의 개발은 삼중항–삼중항 소멸에 의한 광에너지 상향전환과 광역학치료 모두의 발전에 핵심적이다. 본 연구에서는 도너–억셉터–중원자 분자 구조를 기반으로 광유도 전자 전달과 중원자 효과를 단일 분자 내에서 동시에 구현함으로써, 상호 시너지에 의해 향상된 계간 전이를 달성할 수 있는 종합적인 분자 설계 전략을 제시한다. 먼저, 서로 다른 중원자 (Cl, Br, I)를 도입한 도너–억셉터–중원자 분자인 PY-BDP-2Cl, PY-BDP-2Br, PY-BDP-2I를 합성하여 할로겐 종류가 계간 전이 및 삼중항–삼중항 소멸에 의한 광에너지 상향전환 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 원자 번호가 클수록 삼중항 생성 효율과 상향전환 효율이 점진적으로 향상되었으며, 특히 아이오딘을 도입한 PY-BDP-2I는 매우 높은 일중항 산소 양자수율 (Φ_Δ = 0.93)와 상향전환 양자수율 (Φ_UC = 4.84%)를 보였다. 이는 기존의 도너–억셉터–중원자 분자가 아닌 BODIPY 광감각제보다 현저히 향상된 값으로, 광유도 전자 전달과 중원자 효과의 동시 발현이 유효한 전하이동 기반 스핀–궤도 계간전이를 유도함을 시사한다. 추가적으로 밀도범함수 이론 계산과 나노초 영역의 순간흡수 분광 분석을 통해 이러한 향상의 기저가 되는 여기 상태 동역학을 규명하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 두 번째 단계에서는 도너 세기의 변화와 구조적 강직도가 도너–억셉터–중원자 분자 시스템 내 광유도 전자 전달 및 중원자 효과에 어떻게 영향을 미치는지 조사하였다. 전자공여 능력과 입체적 부피가 체계적으로 상이한 다섯 가지 방향족 도너를 도입하여, 도너–억셉터 사이의 뒤틀림 각도, 전하이동 특성, 그리고 전하이동 기반 스핀–궤도 계간전이 효율을 정밀하게 조절하였다. 그 결과 계간 전이 속도, 삼중항 수명, 상향전환 양자수율이 단순 중원자 치환만으로는 얻기 어려운 수준까지 향상되었으며, 광유도 전자 전달과 중원자 효과 간의 협력적 상호작용에 대한 기초적인 기작적 통찰을 제공하였다.
마지막으로, 본 연구는 생의학적 응용을 위해 적색광 흡수 특성을 갖는 세 종류의 BODIPY 기반 광감각제(Sty-BDP-NO2, Sty-BDP-H, Sty-BDP-OCH3)를 설계하였다. 3,5-위치에 서로 다른 전자효과를 갖는 스티릴 치환기를 도입함으로써 전자구조와 전하이동 특성을 정밀하게 조정하였고, 그중 Sty-BDP-NO2는 가장 강한 전하이동 특성과 가장 높은 일중항 산소 양자수율(Φ_Δ = 0.775)를 나타냈다. 또한 Pluronic F127 기반 나노입자화는 수용액 분산성 향상, 응집 유발 소광 억제, 광안정성 유지 등의 장점을 제공하여 생체 응용성을 크게 높였다. 세포 실험 결과, 이러한 나노입자들은 암세포에서 낮은 암흑 독성과 강한 광유도 활성산소종 생성 및 뚜렷한 광독성을 보여, 차세대 광역학치료 광감각제로서의 우수한 적합성을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구는 광유도 전자 전달과 중원자 효과 메커니즘을 도너–억셉터–중원자 분자 구조 내에서 시너지 있게 통합하여 고효율 삼중항 광감각제를 설계·구현할 수 있는 통합적 분자 설계 패러다임을 제시한다. 또한 본 연구에서 규명된 구조와 물성의 상관관계는 장파장 영역에서 높은 효율을 발휘하며, 삼중항–삼중항 소멸에 의한 광에너지 상향전환과 광역학치료에 모두 적용 가능한 차세대 삼중항 광감각제 개발을 위한 중요한 설계 지침을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of tables ix
• List of figures xi
• List of schemes xix
• Chapter 1 1
• Introduction 1
• 1.1 Triplet photosensitizer 1
• 1.1.1 Applications 2
• 1.2 Boron-dipyrromethene (BODIPY) 3
• 1.3 Important parameters of triplet photosensitizers 4
• 1.4 Donor–acceptor–heavy atom (D-A-H) molecule 5
• 1.4.1 Photoinduced electron transfer (PET) 5
• 1.4.2 Heavy atom effect (HAE) 6
• 1.4.3 Synergistic effect of PET and HAE 7
• 1.5 Triplet–triplet annihilation upconversion (TTA-UC) 9
• 1.6 Photodynamic therapy (PDT) 11
• 1.7 References 12
• Chapter 2 15
• Photophysical properties and excited-state dynamics of donor–acceptor–heavy atom molecules and their application in triplet–triplet annihilation upconversion 15
• 2.1 Introduction 15
• 2.2 Experimental 17
• 2.2.1 General information 17
• 2.2.2 Synthesis and characterization 18
• 2.2.3 Singlet oxygen quantum yield (SOQY) 23
• 2.2.4 Femtosecond and nanosecond transient absorption spectroscopies 24
• 2.2.5 Theoretical calculations 25
• 2.2.6 Triplet–triplet annihilation upconversion (TTA-UC) 25
• 2.3 Results and discussion 27
• 2.3.1 Molecular structures 27
• 2.3.2 Photophysical properties 28
• 2.3.3 Singlet oxygen quantum yield 32
• 2.3.4 Delayed fluorescence analysis 34
• 2.3.5 Determination of the spin–orbit coupling matrix element (SOCME) 37
• 2.3.6 Electrochemical properties 39
• 2.3.7 Excited-state dynamics 43
• 2.3.8 Density functional theory (DFT) calculations 46
• 2.3.9 Triplet–triplet annihilation upconversion 49
• 2.4 Conclusion 53
• 2.5 References 54
• Chapter 3 61
• Optimizing intersystem crossing dynamics for triplet–triplet annihilation upconversion: aromatic donor modulation in donor–acceptor–heavy atom molecular architectures 61
• 3.1 Introduction 61
• 3.2 Experimental 64
• 3.2.1 Materials and equipment 64
• 3.2.2 Synthesis of compounds 66
• 3.2.3 Singlet oxygen quantum yield (SOQY) 72
• 3.2.4 Theoretical computations 73
• 3.2.5. Cyclic voltammetry 73
• 3.2.6. Femtosecond and nanosecond transient absorption spectroscopies 74
• 3.2.7. Triplet–triplet annihilation upconversion (TTA-UC) 75
• 3.3 Results and discussion 76
• 3.3.1 Molecular structure design and synthesis 76
• 3.3.2 Photophysical properties 78
• 3.3.3 Singlet oxygen quantum yield 84
• 3.3.4 Density functional theory (DFT) calculations 87
• 3.3.5 Computational model in charge transfer excitations 96
• 3.3.6 Electrochemical analyses 99
• 3.3.7 Excited-state dynamics 103
• 3.3.8 Triplet–triplet annihilation upconversion 109
• 3.4 Conclusion 114
• 3.5 References 115
• Chapter 4 122
• Styryl substitution driven photophysical modulation in donor–acceptor–heavy atom molecules for enhanced photodynamic therapy potential 122
• 4.1 Introduction 122
• 4.2 Experimental 125
• 4.2.1 Materials and equipment 125
• 4.2.2 Synthesis of compounds 126
• 4.2.3 Singlet oxygen quantum yield (SOQY) 128
• 4.2.4 Theoretical computations 129
• 4.2.5 Electrochemical characterization 130
• 4.2.6 Preparation of BODIPY nanoparticles (BDP NPs) 130
• 4.2.7 Cell culture 130
• 4.2.8 Cellular uptake 131
• 4.2.9 Cell cytotoxicity assay 131
• 4.2.10 Intracellular reactive oxygen species (ROS) detection 131
• 4.3 Results and discussion 132
• 4.3.1 Structural design and molecular synthesis 132
• 4.3.2 Photophysical properties 134
• 4.3.3 Density functional theory (DFT) calculations 138
• 4.3.4 Singlet oxygen quantum yield 143
• 4.3.5. Electrochemical characterization 147
• 4.3.6. Preparation and characterizations of BDP NPs 150
• 4.3.7. Cellular uptake, cytotoxicity, and ROS generation of BDP NPs 156
• 4.4 Conclusion 160
• 4.5 References 161
• Summary 166
• 초 록 168
• List of publications 171