具有连续能量转移过程的光捕获体系的构筑及抗菌应用

光合作用是地球上生物利用太阳能的重要形式，光捕获是光合作用的重要过程。人工光捕获体系（LHS）的构筑可以帮助我们深入了解自然界光合作用的过程，为模拟光合作用提供理论基础。近些年来，细菌感染对人类产生了巨大威胁，光动力灭活（PDI）疗法是控制细菌感染的一种有效途径。LHS可以有效利用太阳光，在光动力治疗方面具有巨大潜力。以具有聚集诱导发光（AIE）性能的铂基金属大环作为光捕获体系的能量供体，将光敏剂Ce6引入到光捕获体系中作为能量受体，可见光照射下产生单线态氧，构筑光动力治疗平台，其较单一光敏剂Ce6具有更强的抗菌效率。

近期，东华大学的易涛教授（点击查看介绍）、张灯青副教授（点击查看介绍）课题组发展了基于铂(II)基大环自组装体系、具有连续能量转移过程的光捕获体系，并成功用于抗菌治疗（图1）。 

图1. 光捕获体系的构筑及抗菌应用示意图

利用配位键导向自组装方法将具有聚集诱导发光（AIE）特性的四苯乙烯基团引入到铂(II)大环化合物PtTPEM中，PtTPEM在水/DMSO (99:1, v/v) 溶液中自组装形成纳米球状聚集体，显示了良好的AIE特性，可以作为光捕获体系的理想能量供体。由于PtTPEM的发射光谱和SR101的吸收光谱有较好的重叠，当加入能量受体SR101后，SR101能够进入PtTPEM组装体的内部，构筑了一步能量转移光捕获体系PtTPEM-SR101。在410 nm激光的照射下，PtTPEM在550 nm处的发射峰逐渐减弱，而608 nm处归属于SR101的发射峰逐渐增强，在能量给体-受体摩尔比为20:1时，能量转移效率达到76.9%，天线效应为41.11，荧光量子产率为55.55%。

继续加入第二个能量受体Ce6后，归属于PtTPEM-SR101组装体的608 nm处的发射峰逐渐减弱，而归属于Ce6的670 nm处的发射峰逐渐增强，荧光颜色由橙黄变为橙红色。在PtTPEM-SR101-Ce6 (20:1:2) 体系中，荧光量子产率、第二步能量转移效率和天线效应分别达到37.64%、91.30%和44.13。荧光寿命由 τ₁ = 4.60 ns，τ₂ = 23.5 ns (PtTPEM-SR101组装体) 减少到 τ₁ = 1.93 ns，τ₂ = 4.29 ns (PtTPEM-SR101-Ce6组装体)。实验结果表明成功实现了从PtTPEM组装体到SR101再到Ce6的两步连续能量转移（图2）。

图2. （a）向PtTPEM中加入不同量的SR101的发射光谱变化图。（b）向PtTPEM-SR101体系中加入不同量的Ce6的发射光谱变化图。（c）PtTPEM与PtTPEM-SR101（20:1）的荧光寿命衰变曲线。（d）PtTPEM-SR101与PtTPEM-SR101-Ce6（20:1:2）的荧光寿命衰变曲线。

为了更好地开发光捕获体系的应用范围，PtTPEM-SR101-Ce6体系被用于光动力抗菌治疗。在白光照射下，金黄色葡萄球菌的存活率在大环浓度为2 μM时从约74%降至几乎为零（图3）；大环浓度为5 μM时大肠杆菌的存活率从约14%降至约5%。结果表明，PtTPEM1−SR101−Ce6体系在铂（II）金属环处于较低浓度下可表现出更高的抗菌活性，因此将金属环与PDI结合可以显著降低细菌的耐药性风险。与Ce6、PtTPEM和一步能量转移的光捕获体系PtTPEM-SR101相比，具有两步连续能量转移的光捕获体系PtTPEM1−SR101−Ce6表现出更高的抗菌活性，因此这种以近红外光敏剂Ce6为最终能量受体的人工光捕获体系在抗菌应用中展现出广阔的应用前景。

图3. （a）分别用PtTPEM、PtTPEM−SR101（20:1）、PtTPEM−SR101−Ce6（20:1:2）和Ce6处理的金黄葡萄球菌，在光照条件或黑暗条件下的琼脂平板上的照片（c = 10 μM）；在黑暗（b）和光照射（c）下，对PtTPEM、PtTPEM−SR101（20:1），PtTPEM−SR101−Ce6（20:1:2）和Ce6浓度的大肠杆菌活性。

该工作对进一步拓展人工光捕获体系的应用范围具有重要的意义。相关工作近期发表在Advanced Healthcare Materials 上，东华大学化学与化工学院20级硕士研究生陈茂文和19级博士研究生鲁珍妮为共同第一作者，张灯青副教授和易涛教授为共同通讯作者。

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Near−Infrared Emissive Cascaded Artificial Light−Harvesting System with Enhanced Antibacterial Efficiency

Maowen Chen, Zhenni Lu, Man Li, Bei Jiang, Senkun Liu, Yinuo Li, Bangrui Zhang, Xianying Li, Tao Yi, Dengqing Zhang

Adv. Healthc. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adhm.202300377

导师介绍

易涛，博士，教授，国家杰出青年基金获得者，入选上海市浦江人才和上海市优秀学术带头人。1987、1990和1998年在北京大学分别获学士、硕士和博士学位，1999-2004年分别在日本京都大学（日本学术振兴会JSPS博士后）、日本东京大学和法国巴黎大学（XI校）从事研究工作，2004年5月加盟复旦大学，2019年加盟东华大学，从事分子/超分子光功能材料，生物分子的荧光检测和荧光成像以及诊疗一体化等方面的研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表研究论文240余篇。被“Nature China”，“Chemistry World”，“Noteworth Chemistry”等国外科技新闻杂志亮点评述。

https://www.x-mol.com/university/faculty/291367 

张灯青，博士，副教授，硕士生导师。2007年在复旦大学获得博士学位，同年进入东华大学工作至今，目前主要从事有机功能材料的合成、组装及其在催化、传感、防伪、抗菌、光动力治疗、光热治疗等方面的研究工作。迄今在国际知名期刊上发表SCI收录论文40余篇，包括J. Am. Chem. Soc.、Adv. Healthc. Mater.、J. Mater. Chem. C等。主持国家自然科学基金、上海市自然基金、教育部博士点基金等项目多项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/17650