可视化磷光分子合页

来源：X一MOL资讯

注：文末有本文科研思路分析

自2016年诺贝尔化学奖授予了在分子机器领域做出杰出贡献的三位科学家，在分子或纳米尺度上开发机器或机器人的研究热点的涵盖了化学、材料及生物等领域。1965年诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman曾预测，将来分子机器在定位药物在人体内的输送以及纳米机器人在手术方面将会起到至关重要的作用。化学家可以通过精准的分子设计与合成，在分子水平上模拟一些生物大分子或宏观机械运动的分子器件。诸如此类的研究将有助于科学家深入认知蛋白质等分子的工作机制，加深对生命科学的理解，促进仿生学的快速发展。不仅如此，在分子机器的运动过程中，物理或化学性质的改变，使其在催化、传感、光电材料等领域同样具有重要的应用前景。

传统方法利用核磁信号监测分子机器的运动状态，不仅操作繁琐、耗时较长、而且成本较高；而光学信号的输出则使其变得更加便捷，灵敏度更高、响应速度更快等特点。平面结构的金属铂（II）配合物具有丰富的激发态能级，在金属-金属、π−π相互作用的驱动下形成有序聚集体，具有易变可调的光学性能。对铂（II）配合物在自组装（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 17445−17453; Inorg. Chem., 2016, 55, 11920−1192）及刺激-响应材料（Chem. Eur. J., 2019, 25, 5251–5258; Chem. Eur. J., 2018, 24, 11611–11618; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13858–13866）等方面深入研究的基础上，中山大学李永光课题组与任詠华教授合作开发了基于磷光铂（II）配合物的可视化分子合页。分子合页受到外界环境微小变化的驱动可以关闭和打开，通过磷光信号的输出，实现了方便快捷的可视化监测。

图1. 分子合页示意图及分子结构

以平面构型铂（II）为两翼，以刚性的苯环和炔基为轴，构筑合页分子，通过发光色度的改变，方便快捷的检测分子合页的运动状态。他们详细研究了环境（温度、溶剂、浓度等）的微小改变，对驱动合页分子转动的影响，引起发光色度的改变，可以通过肉眼直接观察到，从而便捷的判断分子合页所处的状态。

图2. 溶剂、温度等因素对分子合页转动的影响

理论计算（与香港大学任詠华教授合作完成）表明分子合页在关闭的状态下更加稳定。这与晶体结构一致，由于形成分子内的π－π相互作用。通过调控溶剂转动到打开状态时，能量升高，分子发生聚集形成尺寸均一的纳米线，以降低表面能，达到较稳定的状态。升温后，溶解度升高，分子从纳米线上解离，由于打开状态能量较高，合页的两翼迅速靠近形成分子内的π－π相互作用，以稳定合页分子。这个可逆过程可以通过肉眼观测发光颜色的改变（绿光-深红光）实现可视化监测，为发展便捷、高效的监测分子机器运动状态开辟了新途径。

图3. 分子合页打开状态下的聚集形貌

图4. 分子合页转动的机制

该研究成果近期发表在Proc. Natl. Acad. Sci. USA上

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：利用核磁信号变化监测分子机器运动时，存在操作繁琐、耗时长、成本高等问题；而光学信号的输出则更加便捷、灵敏、响应迅速。我们一直致力于金属配合物组装体构筑及功能化的研究。金属铂（II）配合物具有丰富的激发态能级，由于分子的平面构型，聚集后容易产生π-π、金属-金属相互作用，具有易变的光学性质，我们据此构筑分子合页，实现可视化监测。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：合成合页分子后，经测试发深红光，处于稳定的关闭状态，如何驱动分子合页转动到打开的状态是我们遇见的最大困难。在合成纯化产品的过程中，一些实验现象，比如所得到的固体材料发绿光，这个现象说明分子合页处在打开的状态，这使得我们有信心，也给我们提供了线索去探索调控分子合页转动的方法。逆过程的调控也是挑战之一。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：这项工作为发展便捷、高效的监测分子机器运动状态提供了新思路。对外界环境细微的变化，分子合页发生了状态的改变，具有灵敏的发光响应性，便于可视化的监测，因此对在VOC监控、化学/生物传感、逻辑门等领域具有重要的应用前景。