澳门大学张宣军、黄冠豪/南科大吴长锋《自然·通讯》：圆偏振发光材料制备新策略-细菌发酵

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-03 07:50

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手性现象在自然界中无处不在，从宏观的宇宙星云和大气气旋，到微观的蜗牛贝壳和牵牛花藤蔓，甚至在构成生命体的核心分子中，都能观察到手性的存在。圆偏振光（CPL）作为一种光手性现象，在信息加密、信息存储和3D显示等领域具有广泛的应用前景。目前，CPL材料的制备主要依赖于化学和物理策略，包括手性荧光分子的合成、分子组装、金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）、液晶材料和纤维素材料等方法。化学合成途径通常涉及复杂冗长的步骤和手性拆分过程，而分子组装途径则通过分子间弱相互作用将发光分子置于手性环境中，但这种方法可能导致产物稳定性较差。相比之下，生物合成途径在生物酶的催化下，具有自发、绿色和高效的特点。由于生物体内富含L-氨基酸、D-葡萄糖等手性分子，生物合成在制备CPL材料方面具有独特优势。然而，由于缺乏生物活性发光前体和合适的生物反应器，CPL材料的可控生物合成仍面临诸多挑战。此外，生物活性发光前体共价键嵌入的确认方法也有待进一步发展。

受微生物辅助不对称生物合成的启发，澳门大学张宣军、黄冠豪团队与南方科技大学吴长锋团队合作，开发了一种通过原位细菌发酵制备CPL活性材料的新方法。研究团队利用Komagataeibacter sucrofermentans细菌的原位发酵，成功制备了一系列具有绿色、橙色、红色和近红外CPL的细菌纤维素膜，并开发了一种基于纤维素酶催化的生物降解方法，用于确认生物活性发光前体通过共价键嵌入细菌纤维素中。该过程通过细菌内的原位糖苷化反应将糖基化分子共价掺杂到手性细菌纤维素中，实现了糖基化分子圆偏振发光从无到有、从小到大的突破，最大不对称因子提升了39倍。基于这种杂化细菌纤维素膜，研究团队还实现了信息加密、信息存储以及Fe³⁺的荧光-CPL双通道检测。该研究不仅为CPL材料的制备提供了新思路，还拓宽了细菌纤维素杂化材料的应用领域。相关成果以“Microbe-assisted fabrication of circularly polarized luminescent bacterial cellulosic hybrids”为题发表在《Nature Communications》上。

研究团队首先设计并合成了一系列具有不同荧光颜色的糖基化分子作为细菌发酵的活性前体，并评估了这些分子的CPL性质。研究发现，尽管S1-S4分子基于D-葡萄糖衍生物，但它们并未表现出CPL活性。然而，当引入刚性的手性联萘结构后，A1-A3分子表现出CPL活性，尽管其不对称因子较小，仅为10^-4到10^-3量级。为了进一步增强CPL性质，研究团队将这些发光分子与细菌发酵葡萄糖培养基进行共聚。通过对杂化细菌纤维素膜的CPL性质评估，研究发现，原本无CPL活性的S1-S4分子在细菌发酵后表现出CPL活性，而A1-A3分子的不对称因子也得到了显著提升。

图1 |细菌发酵形成CPL活性细菌纤维素的示意图。a 细菌纤维素通过细菌中的纤维素合酶催化的β-1,4-糖苷反应原位生成。b原位细菌发酵引发无CPL活性的糖基化分子表现出CPL。c 弱不对称因子的的糖基化分子在原位细菌发酵后其CPL性能得到增强。

此外，研究团队开发了一种基于纤维素酶催化的生物降解方法，用于确认生物活性发光前体通过共价键嵌入细菌纤维素中，而非简单吸附在纤维素膜表面。以S2-BC和S3-BC为例，经过纤维素酶水解后，质谱检测到了S2和S3杂化的葡萄糖和寡糖，证实了糖基化染料通过共价键稳定地插入细菌纤维素中。

图2 | 细菌共聚葡萄糖和糖基染料过程中共价键形成的确认。a 通过纤维素酶催化的生物降解过程（以S3-BC为例）示意图。b S2-BC水解产物的荧光光谱（左）和代表性质谱分析（右）。c S3-BC水解产物的荧光光谱（左）和代表性质谱分析（右）。

有趣的是，研究团队发现，糖基化分子S4可通过Fe³⁺催化的碳碳双键断裂实现Fe³⁺的特异性检测，但检测产物并未表现出CPL活性，即S4无法通过CPL通道检测Fe³⁺，限制了其潜在的应用。然而，聚合后的杂化细菌纤维素S4-BC不仅保留了S4的近红外荧光发射特性，还表现出CPL活性，这为Fe³⁺的荧光-CPL双通道检测奠定了基础。研究发现，直接使用S4-BC检测Fe³⁺时效率较低，可能是由于Fe³⁺吸附在纤维素膜表面，限制了其与检测分子的碰撞。然而，令研究团队惊喜的是，420 nm LED光可显著加速检测过程。通过电子顺磁共振（EPR）实验，研究团队检测到了仅在Fe³⁺和纤维素膜共存时产生的活性氧（ROS），推测细菌纤维素中的羟基可能有助于形成Fe³⁺-细菌纤维素中间体，在蓝光照射下释放自由基，从而增强碳碳双键的氧化断裂。基于这些实验结果，研究团队成功实现了Fe³⁺的CPL通道检测，进而实现了荧光-CPL双通道检测。

图3 | 基于S4-BC的荧光和圆偏振发光双通道响应Fe3+离子。a S4-BC对Fe3+离子进行荧光和圆偏振发光（CPL）双通道响应过程的示意图。b 加入Fe3+离子后S4-BC的荧光变化。c 在420 nm LED辅助下加入Fe3+离子后S4-BC的荧光变化。d S4-BC在Milli-Q水中暴露于420 nm LED后的荧光变化。e-g S4-BC在Fe3+溶液中受420 nm光照或不受光照时的电子顺磁共振（EPR）结果：超氧阴离子自由基（•O₂⁻，e）、单线态氧（¹O₂，f）和羟基自由基（•OH，g）。h-j S4-BC在Milli-Q水中的圆偏振发光（CPL）表现。k-m S4-BC在420 nm LED辅助下与Fe³⁺离子反应后的圆偏振发光（CPL）表现。

此外，研究团队还设计并合成了具有光开关性质的糖基化分子PS-Glc，并通过细菌发酵制备了具有光开关性质的杂化细菌纤维素膜PS-BC，该材料可用于不同类型的信息存储。

图4 | 基于光开关细菌纤维素膜的信息加密应用。a 光照下PS-Glc和PS-BC的光开关特性机制以及微生物辅助制备PS-BC的过程。b 不同信息存储的光刻（使用254 nm手持紫外灯）和光擦除（使用590 nm LED）。c QR码信息加密。d 8位ASCII数据存储。流程图（左）显示了读取方法：绿色荧光位置表示“1”，而非荧光位置表示“0”。所有信息均在365 nm手持紫外灯下读取。

综上所述，研究团队通过糖基化发光分子的原位细菌共聚，开发了一种高效的生物合成策略，用于制备CPL活性材料，展现了良好的普适性。同时，研究团队发展了一种直接表征细菌纤维素杂合体的方法，确认了在细菌共聚过程中葡萄糖与糖基化发光分子之间形成了共价键。更重要的是，基于杂化细菌纤维素膜，研究团队实现了信息存储、加密以及Fe³⁺的双通道检测。该研究不仅发展了制备CPL活性材料的生物合成策略，还拓宽了细菌纤维素膜的应用范围。

来源：高分子科学前沿

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