Fabrication of Copper（I） Iodide Cluster-based Scintillator for Highly Efficient X-ray-excited Reactive Oxygen Species Generation

doi:10.7503/cjcu20250163

Abstract

Abstract:

Cuprous iodide cluster-based complexes exhibit significant potential in scintillator materials due to their structural diversity， strong X-ray absorption capacity and tunable excited-state properties. However， crystalline state is typically required to achieve efficient luminescence， and mechanical grinding often induces mechanochromic effects， which severely limit their biomedical applications. In this study， a series of Cu₄I₄Py₄ complex-based scintillators was prepared via a facile solution processing method. The effects of crystal structure， co-crystallized solvent molecule， and polymer matrix on their luminescent performance were systematically investigated. In addition， polystyrene（PS） was employed as an encapsulation matrix to modulate the emission wavelength of the scintillators， enabling spectral overlap with the photosensitizer（methylene blue， MB） for enhanced energy transfer efficiency. The encapsulation simultaneously improved biocompatibility and bioenvironmental stability of the scintillation complex， yielding a type of photosensitizer nanoparticles（Cu₄I₄Py₄-PS-MB） with high X-ray irradiation resistance. The results of N，N-dimethyl-4-nitrosoacniline（RNO） bleaching（RNO-imidazole） experiments confirmed that this nanocomposite system exhibits exceptionally high singlet oxygen（¹O₂） yields under both UV light and X-ray irradiation， demonstrating its potential for constructing efficient and stable X-ray photodynamic therapy（X-PDT） nanoplatform. This work provides a novel solution for deep-tumor photodynamic therapy by overcoming the limitations of traditional scintillator materials.

Key words: Cuprous iodide cluster complex, X-ray scintillator, Deep tumor therapy, Photodynamic therapy

CLC Number:

O614

TrendMD:

XIAO Kang, XUE Chengwen, SHEN Jiacheng, LIU Xiangmei. Fabrication of Copper（I） Iodide Cluster-based Scintillator for Highly Efficient X-ray-excited Reactive Oxygen Species Generation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250163.

Figures/Tables 6

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Complex	1	1	2	2
CCDC No.	2280372	2280373	2280374	2280375
Emission color	Yellow	Yellow	Orange	Orange
Crystal color	Colorless	Colorless	Orange	Orange
Temperature/K	298	120	298	120
Wavelength/nm	0.071073	0.071073	0.071073	0.071073
Refined formula	C₂₀H₂₀N₄Cu₄I₄	C₂₀H₂₀N₄Cu₄I₄	C₄₁H₄₁N₈Cu₈Cl₃I₈	C₄₁H₄₁N₈Cu₈Cl₃I₈
Formular weight	1078.16	1078.16	2275.69	2275.69
Crystal system	Orthorhombic	Orthorhombic	Tetragonal	Tetragonal
Space group	P2₁2₁2₁	P2₁2₁2₁	P4₂bc	P4₂bc
a/nm	1.17284（7）	1.1848（8）	1.9903（2）	1.95943（11）
b/nm	1.54854（10）	1.5359（10）	1.9903（2）	1.95943（11）
c/nm	1.60046（10）	1.5947（12）	1.5886（2）	1.59168（9）
V/nm³	2.9067（3）	2.902（3）	6.2927（16）	6.1110（8）
Z	4	4	4	4
D_c/（g·cm^-3）	2.464	2.468	2.402	2.473
μ（Mo Kα）/mm^-1	7.150	7.162	6.736	6.936
F（000）	1984	1984	4200	4200
2θ range/（°）	2.523—28.279	2.519—34.969	2.288—25.671	2.324—34.334
Index ranges	-15 ≤ h ≤ 14 -20 ≤ k ≤ 15 -21 ≤ l ≤ 21	-17 ≤ h ≤ 18 -24 ≤ k ≤ 21 -23 ≤ l ≤ 25	-24 ≤ h ≤ 24 -19 ≤ k ≤ 24 -19 ≤ l ≤ 19	-31 ≤ h ≤ 30 -18 ≤ k ≤ 31 -25 ≤ l ≤ 25
Reflections collected/unique	25529/7221	39858/12347	41667/5964	74968/12654
Parameters/restraints	290/0	290/0	327/387	325/31
GOF on F²	1.046	0.999	1.048	1.045
R₁/wR₂ ［I > 2σ（I）］	0.0286/0.0494	0.0313/0.0402	0.0388/0.0868	0.0275/0.0476
R₁/wR₂（all data）	0.0400/0.0524	0.0526/0.0436	0.0605/0.0989	0.0407/0.0507
Largest diff. peak and hole/（e·nm^-3）	548/-569	857/-774	698/-658	705/-879
Absolute structure parameter	0.013（13）	0.014（11）	0.017（18）	0.035（17）
Average Cu—Cu distance/nm	0.2690	0.2689	0.2667	0.2643

Complex	1	1	2	2
CCDC No.	2280372	2280373	2280374	2280375
Emission color	Yellow	Yellow	Orange	Orange
Crystal color	Colorless	Colorless	Orange	Orange
Temperature/K	298	120	298	120
Wavelength/nm	0.071073	0.071073	0.071073	0.071073
Refined formula	C₂₀H₂₀N₄Cu₄I₄	C₂₀H₂₀N₄Cu₄I₄	C₄₁H₄₁N₈Cu₈Cl₃I₈	C₄₁H₄₁N₈Cu₈Cl₃I₈
Formular weight	1078.16	1078.16	2275.69	2275.69
Crystal system	Orthorhombic	Orthorhombic	Tetragonal	Tetragonal
Space group	P2₁2₁2₁	P2₁2₁2₁	P4₂bc	P4₂bc
a/nm	1.17284（7）	1.1848（8）	1.9903（2）	1.95943（11）
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c/nm	1.60046（10）	1.5947（12）	1.5886（2）	1.59168（9）
V/nm³	2.9067（3）	2.902（3）	6.2927（16）	6.1110（8）
Z	4	4	4	4
D_c/（g·cm^-3）	2.464	2.468	2.402	2.473
μ（Mo Kα）/mm^-1	7.150	7.162	6.736	6.936
F（000）	1984	1984	4200	4200
2θ range/（°）	2.523—28.279	2.519—34.969	2.288—25.671	2.324—34.334
Index ranges	-15 ≤ h ≤ 14 -20 ≤ k ≤ 15 -21 ≤ l ≤ 21	-17 ≤ h ≤ 18 -24 ≤ k ≤ 21 -23 ≤ l ≤ 25	-24 ≤ h ≤ 24 -19 ≤ k ≤ 24 -19 ≤ l ≤ 19	-31 ≤ h ≤ 30 -18 ≤ k ≤ 31 -25 ≤ l ≤ 25
Reflections collected/unique	25529/7221	39858/12347	41667/5964	74968/12654
Parameters/restraints	290/0	290/0	327/387	325/31
GOF on F²	1.046	0.999	1.048	1.045
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Absolute structure parameter	0.013（13）	0.014（11）	0.017（18）	0.035（17）
Average Cu—Cu distance/nm	0.2690	0.2689	0.2667	0.2643