刺激響應聚合物（SRPs）能够在接受外部刺激時（pH、光、熱或化學觸發等）調整其結構、組成和反應活性，精准控制聚合物資料的合成、調控和降解等效能，對於生物醫學、材料科學、永續經濟和環境保護等多個領域尤為重要，且現時已在生物醫學、組織工程、柔性傳感、環境儲能等領域獲得廣泛應用。但是，由於受制於化學反應種類及官能團類別或有限的結構/形態變化限制了其機械效能的廣泛調節，囙此探索新的刺激響應聚合物一直受到廣泛關注。如何實現在時空尺度上對資料組裝構建過程及刺激響應過程中化學共價鍵的動態視覺化也成了一大挑戰。西安交通大學生命學院孫曉龍團隊長期致力於功能分子的設計開發及應用，以分子的精准合成為原則，通過原理和技術創新，開發新型化學反應，構建特定功能資料。前期，課題組開發了系列基於動態共價鍵的軟物質資料（J. Am. Chem. Soc.2020，142，3913；ACS Macro Lett.2021，10，901；Chem. Sci.2019，10，8817；ACS Macro Lett.2021，10，1125；Front. Chem. Sci. Eng.2021，Accepted）。但上述研究對刺激響應資料的宏觀變化在光學上是不可見的，以至於通過改變資料的特性來進行精確控制或資訊準確傳遞仍未得到充分探索，對聚合物鍵合模式變化以及交聯基團化學變化進行實時光學跟踪，從而操縱聚合物資料的效能，具有十分重要的意義。
近日，西安交通大學孫曉龍團隊開發了新的化學反應體系，構建全新的“茚酮烯”光致發光平臺。一是實現了軟物質資料在凝膠化、結構重塑和化學降解中共價鍵合過程的實时觀察和跟踪，並建立了光學力學時間變化之間的響應關係；二是通過化學觸發的凝膠分解和光學訊號自放大循環擴增體系，實現資料降解和分析物檢測視覺化的雙重功能。
研究成果一開發了一種新的命名為“茚酮烯”的光致發光體，構建光致發光平臺，並在視覺化跟踪軟資料物理化學變化過程方面進行了深入探索。通過硫-胺基團化學交換，可以跟踪量化該共軛受體和胺類化合物之間光學反應的螢光變化。在此基礎上，將此類光學反應應用於視覺化且量化的水凝膠合成、拓撲轉換以及化學觸發降解中，均實現了螢光增强的視覺化跟踪以及不同水凝膠網絡的機械效能轉變。同時提供了數字影像處理的螢光分析方法來輔助光學反應的跟踪，在空間和時間尺度上對化學觸發的聚合物形成、形態和降解進行實时光學觀察和量化，為開發新一代“智慧”資料提供可能。
光致發光平臺構建並實現水凝膠聚合物合成、重塑以及降解的螢光視覺化
水凝膠的合成、重塑以及降解的螢光增强視覺化跟踪
另一項工作開發了單一共軛受體的“茚酮烯”發光體，在水溶液條件下表現出聚集誘導發射的發光性質。該共軛受體與β-巰基乙醇在中性條件下的光化學反應產生了比率吸收和螢光-開啟的訊號變化。在此基礎上，通過CuAAC點擊反應合成了含有非發光共軛受體連接體的聚乙二醇水凝膠，然後與2-羥乙基二硫化物協同作用，形成可由硫醇觸發的自迴圈級聯反應系統，實現螢光訊號擴增和大分子資料降解的雙重訊號響應。而在沒有2-羥乙基二硫化物或僅有硫醇引發劑的對照實驗中，光學訊號幾乎無變化。重要的是，GSH作為一種關鍵的細胞內生物硫醇分析物，也能够通過跟踪聚合降解與訊號放大進行檢測。使用生物相容性的PEG資料進行傳感設計，加上無背景干擾的訊號放大，可用於開發具有高靈敏度和選擇性的生物感測器，特別是應用在早期診斷檢測方面。化學觸發的自迴圈大分子降解和光學檢測代表了新一代有前途的智慧刺激響應資料。
硫醇觸發水凝膠自迴圈級聯螢光訊號擴增體系及在巰基化合物視覺化檢測應用方面的研究
研究成果一發表在Journal of the American Chemical Society，第一作者為生命學院碩士生馮星，第二作者是博士生吳田宏，同時受到華東師範大學錢旭紅院士的悉心指導。研究成果二發表在Polymer Chemistry，文章共同第一作者為博士生吳田宏和碩士生馮星。上述研究孫曉龍教授為唯一通訊作者，生物醫學資訊工程教育部重點實驗室為唯一通訊組織。上述研究成果得到了生物醫學資訊工程教育部重點實驗室、國家自然科學基金專案、陝西省自然科學基金、中央黨校基本科研業務費等項目資金的支持。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c09895
https://doi.org/10.1039/D1PY01450A