诺奖实验室“光驱动分子马达”又一进步

在一个分子中结合两种光介导的功能是相当具有挑战性的。Feringa实验室(荷兰格罗宁根大学)现在已经通过两种不同的方式成功地做到了这一点。这两种类型的荧光驱动旋转马达在《Nature Communications 》和《 Science Advances 》上进行了描述。

　　

   

   

这是新闻报道中描述的两篇论文的第一作者，Lukas Pfeifer(左)和Ryojun Toyoda。他们都成功地制造了荧光驱动的分子马达。这是第一次在一个马达分子中结合两种光化学性质。    

旋转式分子马达于1999年在格罗宁根大学有机化学教授Ben Feringa加的实验室首次发明。这些马达是由光驱动的。出于多种原因，如果能让这些马达分子可见，那就太好了。最好的方法是让它们发出荧光。然而，在一个分子中结合两种光介导的功能是相当具有挑战性的。Feringa实验室现在通过两种不同的方式成功地做到了这一点。

“在过去几十年分子马达的成功设计之后，一个重要的下一个目标是使用这种马达控制各种功能和特性，”2016年诺贝尔化学奖的共同获得者Feringa解释道。“由于这些都是光能驱动的旋转马达，所以设计一个除了旋转运动之外还能由光能控制的系统尤其具有挑战性。”

Feringa和他的团队对荧光特别感兴趣，因为这是一种广泛用于检测的主要技术，例如在生物医学成像中。通常，两个这样的光化学事件在同一个分子中是不相容的;要么光驱动的马达工作没有荧光，要么有荧光马达不工作。Feringa:“我们现在已经证明，这两种功能可以在同一个分子系统中并行存在，这是相当独特的。”

Feringa团队的博士后研究员、现在日本东北大学(Tohoku University)担任教授职位的Ryojun Toyoda在经典的Feringa旋转马达上添加了荧光染料，诀窍是防止这两种功能相互阻碍。他设法消除了染料和马达之间的直接相互作用。这是通过将染料垂直于其所连接的马达的上部来完成的。

不同的颜色

这样，荧光和马达的旋转功能可以并存。此外，通过改变溶剂，他可以调整系统:“通过改变溶剂的极性，可以改变两种功能之间的平衡。这意味着马达对环境变得敏感，这可能为未来的应用指明了方向。”

合著者、格罗宁根大学理论化学教授Shirin Faraji帮助解释了这是如何发生的。Kiana Moghaddam，她所在团队的博士后，进行了大量的量子力学计算，并证明了控制光激发动力学的关键能量如何强烈依赖于溶剂极性。

这种荧光马达分子的另一个有用的特性是，只要结构相似，不同的染料就可以附着在它上面。Toyoda说:“因此，制造出发光不同颜色的发动机相对容易。

第二个荧光马达是由Lukas Pfeifer建造的，他也是Feringa小组的博士后研究员:“我的解决方案是基于我已经制作的一个马达分子，它由两个低能近红外光子驱动。由近红外光驱动的马达在生物系统中很有用，因为这种光比可见光穿透组织更深，对组织的伤害比紫外线小。我在马达分子上加了一个天线，它可以收集两个红外光子的能量，并将其传输给马达。在研究过程中，我们发现通过一些修改，天线也可以产生荧光。”结果表明，分子可以有两种不同的激发态:在一种状态下，能量转移到马达部分并驱动旋转，而在另一种状态下，分子会发出荧光

在第二种马达的情况下，整个分子会发出荧光。对两种荧光马达进行了光谱分析。“这种马达是一种波函数没有定域的化学实体，根据能级的不同，会产生两种不同的影响。通过改变光的波长，从而改变分子接收到的能量，你可以得到旋转或荧光。

现在，该团队已经将运动和荧光结合在同一个分子中，下一步将是显示运动，并通过追踪荧光同时检测分子的位置。Feringa:“这是非常强大的，我们可以用它来展示这些马达是如何穿过细胞膜或在细胞内移动的，因为荧光是一种广泛应用的技术，用来显示分子在细胞中的位置。我们也可以用它来追踪由光动力马达引起的运动，例如在纳米尺度的轨迹上，或者在纳米尺度上追踪马达引起的传输。这都是后续研究的一部分。”

Dual-function artificial molecular motors performing rotation and photoluminescence