Многие материалы, излучающие ближний инфракрасный свет, основаны на дорогих или редких металлических комплексах. Были разработаны более дешевые альтернативы, которые излучают в диапазоне NIR-I от 700 до 950 нм, но комплексы неблагородных металлов, излучающие NIR-II, остаются крайне редкими. Люминесценция в диапазоне NIR-II (от 1000 до 1700 нм), например, особенно полезна для визуализации in vivo, поскольку этот свет проникает очень далеко в ткани.
Люминесценция комплексов основана на возбуждении электронов за счет поглощения света, например. Когда возбужденный электрон возвращается в свое основное состояние, часть энергии испускается в виде излучения.
Длина волны этого излучения зависит от энергетических различий между электронными состояниями. В комплексах они в значительной степени определяются типом и расположением лигандов, связанных с металлом.
В типичных химических (ковалентных) связях каждый партнер приносит один электрон в пару связей; во многих комплексах оба электрона происходят от лиганда. Однако грань между этими типами связей жидкая: связи металл-лиганд могут иметь частично ковалентный характер (нефелаксетический эффект). Как следствие, энергия некоторых возбужденных состояний уменьшается, что дает испускаемому излучению более длинную волну. Это наблюдалось для полипиридиновых лигандов, которые вызывают смещение рубиново-красного излучения трехвалентного хрома (Cr (III)) в комплексах в область NIR-I.
Чтобы увеличить ковалентность связи металл-лиганд и еще больше увеличить длину волны, Нараян Синха в команде, возглавляемой Клодом Пиге и Оливером С. Венгер из университетов Базеля и Женевы (Швейцария) перешел с классических полипиридиновых лигандов на новый заряженный тридентатно-хелатный лиганд. Термин хелат происходит от греческого слова, обозначающего клешни краба, а тридентат означает, что лиганд имеет три сайта связывания, с помощью которых он захватывает центральный ион металла как клешню.
В полученном новом комплексе ион Cr (III) со всех сторон окружен двумя тридентатно заряженными хелатными лигандами, образуя октаэдрическую форму. Это приводит к радикально измененной, необычной электронной структуре с высокой электронной плотностью на Cr (III).
В осевом направлении перенос заряда происходит от лигандов к металлу, но в экваториальной плоскости октаэдра перенос заряда происходит от металла к лигандам. Комбинированные "толкающие" и "притягивающие" взаимодействия, вероятно, имеют сильное влияние на спектроскопически релевантные электроны Cr (III) – ключ к излучению NIR-II нового комплекса.