谌东中教授课题组与东南大学合作在光驱动仿生耗散自组装领域取得重要进展

chunyu

生命体系许多重要过程及机能的作用与运转往往需要持续的能量供给以维持其高级的组装结构和功能，是一类处于非平衡态的耗散自组装体系。在维持生命体系组装的诸多能源中，光能是所有生命组装体系所需能量的根本来源。我校化学化工学院院高分子学科谌东中教授课题组与东南大学智能材料研究院以及化学化工学院李全教授(欧洲科学院院士)和杨洪教授团队发展了一类具有仿生耗散自组装特点的以可见光作为能量供给的光驱动水相动态超分子自组装体系。

图1. 光驱动的水相人工耗散超分子自组装体系的构筑及其结构表征

       耗散自组装是通过持续提供能量以维持组装状态的非平衡态组装体系，是几乎所有的生命体系组装的基础和根本原理。由于持续能量供给以维持其组装状态，耗散自组装体系相比于很多平衡态自组装体系往往具备更强的可调控性以及更丰富的功能特性，且具备可变的组装过程以及寿命的自适应可调控性。而在维持耗散自组装体系的各种能量源中，光能是自然界耗散组装体系的最主要能量来源。因此，构筑光作为能量供给的光驱动人工耗散自组装体系具有重要的意义，但鲜见文献报道。
        基于此，作者通过研究磺酸化两性离子型部花菁衍生物(SMEH，因其在转化为ASP过程中定量释出一当量酸性H+质子，又称光酸)的光致异构化过程，发现其在光照条件下可转变为螺吡喃型的磺酸化阴离子两亲分子(ASP)构型，而在室温下又可通过热耗散逐渐恢复至SMEH的构型，即该分子是一种“光诱导两亲分子”。通过将该分子与氨基天然高分子壳聚糖(CS)在水相混合(光酸SMEH在转化为阴离子ASP同时，释出的质子将CS上的一当量氨基转化为铵阳离子)，即可简单快捷地通过亲疏水作用以及静电相互作用构筑形成光作为能量供给的光驱动人工超分子耗散自组装体系(图1)。

图2. 可见光驱动的水相超分子自组装体系的耗散特性

       由于光功率密度和温度分别对SMEH光致异构化和ASP的热耗散速率产生明显的影响，因而该耗散自组装体系的寿命可通过控制光功率密度和温度在几分钟到几小时的广泛范围内进行调节。通过将聚集诱导淬灭ACQ/聚集诱导发光AIE不同发光性质的荧光染料分子作为模板负载在该耗散自组装体系中，该耗散自组装体系可以实现基于这些荧光分子的随时间变化的AIE发光或ACQ荧光淬灭的可视化监测，并且发光或淬灭的时间也可通过光功率密度以及温度进行调节(图2, 3)。

图3. 可见光驱动耗散自组装的基于聚集诱导发光AIE或聚集荧光淬灭ACQ的可视化表征

图4. 引入典型荧光染料四羧基四苯乙烯衍生物(TCPE)、磺酸化罗丹明B(SRB)、三氟甲基香豆素衍生物 (C153)的光驱动耗散自组装体系的多周期可逆循环、动力学、荧光半衰期以及用于HepG2肝癌细胞的激光共聚焦成像

       此外，负载了染料的该耗散组装体系实现了细胞内随时间变化的动态成像(图4)。该光驱动的耗散自组装体系为生物传感、智能发光器件等应用领域提供了可行的新策略。研究成果以“Light-fueled transient supramolecular assemblies in water as fluorescence modulators”为题，于2021年8月17日全文在线发表于国际顶级期刊Nature Communications 《自然·通讯》杂志上。评审专家认为该工作是“相当重要且杰出的工作”( “significantly important and outstanding” )。我校化学化工学院高分子科学与工程系博士生侯小芳为本文的第二作者，谌东中教授为该工作的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目的资助。
        论文信息：Light-fueled transient supramolecular assemblies in water as fluorescence modulators. Xu-Man Chen, Xiao-Fang Hou(侯小芳), Hari Krishna Bisoyi, Wei-Jie Feng, Qin Cao, Shuai Huang, Hong Yang*, Dongzhong Chen(谌东中)*, Quan Li*. Nat. Commun., 2021, 12, 4993, DOI: 10.1038/ s41467-021-25299-8, 直达链接：https://rdcu.be/cutuo


       文章来源：南京大学
        谌东中（CHEN Dongzhong），男，1965年10月生，博士，教授，博士生导师，副系主任，高分子化学与物理学科副主任。南京大学化学化工学院高分子科学与工程系、高性能高分子材料与技术教育部重点实验室、生命化学协同创新中心。曾在香港做短期访问研究，2002年7月至2004年8月在美国佐治亚大学(University of Georgia)和韦恩大学(Wayne State University)做博士后访问合作研究。作为主力骨干成员，参加完成国防科技攻关研究及工程转化应用研究，获部级科技进步一等奖和工程转化突出贡献奖。以课题负责人承担完成及在研国家自然科学基金项目4项、留学回国基金、江苏省科技计划项目以及企业委托合作项目等多项。已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Chem. Eur. J., Macromolecules, Soft Matter等发表论文60余篇，申请发明专利多项。