1,8-萘酰亚胺基超分子凝胶研究进展（2020–2026）：从荧光低分子量凝胶剂与金属凝胶到肽基水凝胶及智能软材料

《Gels》：Recent Advances in 1,8-Naphthalimide-Based Supramolecular Gels (2020–2026)

　　

1,8-萘酰亚胺（1,8-naphthalimide, NI）衍生物因其结构多样性、显著的光物理性质以及参与非共价相互作用的能力，构成构建荧光超分子凝胶（fluorescent supramolecular gels）的有吸引力的构筑基元。这些性质促使研究人员撰写本综述，旨在重点概述2020年至2026年间NI基超分子凝胶的代表性进展，涵盖从低分子量有机凝胶剂（low-molecular-weight organogelators）和金属凝胶（metallogels）到肽基（peptide-based）和水相容性水凝胶（water-compatible hydrogels）的演化。特别关注分子设计对自组装（self-assembly）和凝胶化（gelation）的影响，包括氢键（hydrogen bonding）、π–π堆积（π–π stacking）、金属配位（metal coordination）及其他分子间相互作用对纤维状超分子网络（fibrillar supramolecular networks）形成的贡献。还讨论了聚集（aggregation）与NI发色团（chromophore）光物理响应之间的密切关系，重点包括聚集诱导发光（aggregation-induced emission, AIE）、聚集增强发光（aggregation-enhanced emission, AEE）以及凝胶化诱导荧光增强（gelation-induced fluorescence enhancement）等现象。这些性质促进了刺激响应材料（stimuli-responsive materials）的发展，其表现出荧光调制（fluorescence modulation）以及凝胶–溶胶（gel–sol）或凝胶–凝胶（gel–gel）转变，尤其是对金属离子和化学刺激的响应。近期研究进一步表明，该系统向更复杂功能体系转变，包括荧光肽水凝胶（fluorescent peptide hydrogels）和具有潜在生物医学应用（biomedical applications）的触变性材料（thixotropic materials）。对这一时期开发的主要应用进行了批判性分析，范围从化学传感（chemical sensing）到智能荧光材料（smart fluorescent materials）、生物成像（bioimaging）和生物医学系统（biomedical systems）。最后，讨论了NI基凝胶当前的局限性和未来机遇，特别强调红色和近红外发光系统（red and near-infrared emissive systems）以及先进软光子材料（advanced soft photonic materials）的发展。

1. Introduction（引言）

凝胶是一类兼具固体结构特征与液体动态性质的软材料，其三维网络可固定大量溶剂并保持宏观固体外观。按液相类型可分为水凝胶（hydrogels）和有机凝胶（organogels）。超分子凝胶通过分子构筑基元自组装形成网络，而非永久共价交联；低分子量凝胶剂（low-molecular-weight gelators, LMWGs）可通过氢键（hydrogen bonding）、π–π堆积（π–π stacking）、范德华力、疏溶剂作用、静电作用及金属–配体配位等非共价作用分级自组装。LMWGs可在分子水平编码功能，但引入发色团、识别单元、配位基团或生物活性片段可能改变分子堆积并干扰自组装，因此功能化与成胶能力之间的平衡是关键挑战。荧光LMWGs尤其重要，因为自组装可影响电子和激发态性质，导致荧光猝灭、光谱位移、能量或电子转移以及聚集增强发光。1,8-萘酰亚胺（1,8-naphthalimide, NI）具有化学与光化学稳定性、较强荧光、较高荧光量子产率和易结构修饰等优势。NI为缺电子结构，通过给电子取代可形成供体–受体结构并产生分子内电荷转移（intramolecular charge transfer, ICT），其吸收和发射可通过分子设计及环境调控。酰亚胺氮修饰可调节溶解性、引入识别或靶向单元并控制分子间作用。NI的扩展芳香表面可促进π–π作用，酰胺、氨基酸、肽、羟基、羧酸根或配位基团可引入氢键、静电或金属配位，引导分级自组装。NI发色团还可作为对环境与聚集敏感的光学报告基团，已用于聚集诱导发光（AIE）、聚集增强发光（AEE）、凝胶化诱导荧光增强、荧光猝灭及凝胶–溶胶或凝胶–凝胶转变。近年来，NI基超分子凝胶从荧光LMW有机凝胶剂和金属凝胶扩展到含氨基酸或短肽的水凝胶，并出现触变性和可注射材料。本综述聚焦2020–2026年代表性进展，强调分子结构、分子间作用、自组装、凝胶形成与光物理行为的关系，并讨论化学传感、智能荧光材料、生物成像和生物医学应用，最后评述局限及红/近红外发光凝胶、定量激发态过程和先进软光子材料等机遇。

2. Most Representative Examples of the Employment of NI Gels in Recent Years（近年来NI凝胶应用的最代表性实例）

2020年，Rizzo等报道荧光咪唑鎓盐[C_nNIim][X]，其中氯取代NI通过丙基间隔连接咪唑鎓，系统改变烷基链C₈–C₁₄及Br^?或葡糖酸根反离子。NI兼具结构自组装与光物理报告作用。成胶受亲水–疏水平衡控制，[C₈NIim][Br]不能成胶，而[C₁₄NIim][Br]可在多种水介质中形成水凝胶，归因于长烷基链范德华力、氢键和π–π作用协同。葡糖酸根水合更强，降低成胶能力并提高临界凝胶浓度。在DMSO/H₂O中增加水比例促进NI聚集，吸收红移并荧光增强，符合J-型聚集和AIE。该水凝胶保留蓝色荧光，盐可被HeLa、HCT116和MCF7细胞内化并显示微摩尔细胞毒性，葡糖酸根衍生物对癌细胞选择性更好，显示诊疗软材料潜力。同年，Misra等报道NI–二肽共轭物NMI-GW-OMe，含甘氨酸和色氨酸。单晶X射线衍射显示滑移分子排列，由酰胺氢键和芳香π–π作用稳定，呈J-型堆积，C–H···O作用参与组织。该化合物经超声在芳香溶剂和长链脂肪醇中成胶，临界凝胶浓度10–18 mM；向DMSO、DMF、THF和乙腈等水混溶有机溶剂中加水可通过反溶剂驱动自组装成胶。流变显示G′>G″，G′约10³ Pa。DMSO中发射386 nm，加水红移，60%水时荧光增强，并出现416 nm和527 nm激基缔合物相关贡献，呈AIE。时间分辨荧光寿命由DMSO中2.3 ps增至DMSO/H₂O (10:90, v/v)中463 ps。TEM显示纳米纤维，DMSO/H₂O和二甲苯中平均直径分别为15.6±3.1 nm和19.0±3.2 nm。人成体真皮成纤维细胞（HADF）中可见绿色荧光，65 μM孵育24 h细胞活力约98%。2021年，Lovitt等报道4-吗啉代-NI衍生物L1和L2，L1含3-吡啶甲基，L2为苄基。L1与Mn(II)或Co(II)氯化物在乙腈中形成稳定金属凝胶，而L2仅形成沉淀，说明外围吡啶金属配位是成胶关键。Mn-L1和Co-L1呈密集纤维形貌并具可逆热响应，T_gel分别为74–76和52–54 °C。晶体结构显示L1中NI单元面对面π–π堆积，破坏金属凝胶所得晶体中NI核呈偏移头尾π–π作用，质心距离3.58 ?。L1/L2无常规AIE，聚集导致发射降低，但L1的pH和反离子依赖聚集伴随吸收与荧光变化。该工作表明NI可同时作为ICT荧光团和π堆积超分子合成子，而外围配位基团独立控制金属诱导成胶。2022年，Pei等报道没食子酸修饰NI衍生物GSSN和GN，其中GSSN含氧化还原响应二硫键。二者在有机溶剂中低浓度成胶，自组装由氢键、π–π和范德华力协同驱动。GSSN的二硫键赋予还原响应性，可用二硫苏糖醇（DTT）调控组装；干凝胶表面疏水，可作功能疏水涂层。同年，Jiang等报道LMWG NA，含NI、吡啶和酰胺。无金属NA在1,2-丙二醇中自组装成有机凝胶ONA，临界凝胶浓度1%（w/v），T_gel为54 °C。酰胺促进氢键，平面NI提供π表面和聚集敏感荧光；变温¹H-NMR支持氢键，XRD支持π–π作用。热溶胶发射弱而宽，冷却成胶后荧光增强并位移至467 nm，为聚集诱导发光增强（AIEE）。理论计算表明溶液中有扭曲分子内电荷转移（twisted intramolecular charge transfer, TICT），聚集限制分子内运动并改变激发态。加入Fe³⁺选择性猝灭蓝色发射并形成Fe-ONA金属凝胶，检测限6.96×10^?8 M；加入H₂PO₄^?竞争结合Fe³⁺，恢复组装和荧光，实现可逆ON–OFF–ON四循环。该体系用于荧光逻辑操作和可擦写荧光膜，ONA干凝胶还可从水溶液中去除92.26% Fe³⁺。2023年，Liu等报道LMWG DHN，NI核通过席夫碱连接2-羟基萘并带十二烷基链。DHN在DMF/H₂O (10:3 v/v)中形成稳定超分子凝胶，呈交织纤维。XRD和单晶分析支持芳香单元π–π堆积，距离约3.45 ?，并与氢键和范德华力协同。成胶伴随荧光增强和红移，从稀溶液575 nm至凝胶603 nm。Fe³⁺配位破坏非共价作用，导致荧光猝灭与凝胶–溶胶转变，检测限1.51×10^?8 M，并用于荧光试纸条书写。2024年，Lian等报道L-谷氨酰胺NI凝胶剂NDG，含酰胺和C₁₂烷基链。NI作为荧光单元和π–π堆积基元，酰胺与烷基链分别促进氢键和范德华力。NDG形成热可逆有机凝胶，凝胶化后405 nm强蓝光AIEE。Fe³⁺选择性猝灭荧光而不破坏凝胶网络，诱导凝胶–凝胶转变为稳定NDG–Fe³⁺金属凝胶，凝胶态检测限11.5 nM。结构分析表明Fe³⁺改变π堆积排列但保留层状组织，XPS提示NI羰基氧参与配位。Fe³⁺/抗坏血酸/O₂循环可逆切换，用于分子逻辑和纸基荧光传感。2024年，Wu等比较含1、2、3个NI单元的凝胶剂N1–N3。NI数量显著影响成胶、形貌和荧光，自组装结构从棒状、层状到纤维和螺旋。光谱和XRD显示溶剂与结构依赖的J-或H-型聚集及π–π堆积。固态荧光量子产率从N1的0.42%增至N3的9.21%。外围羧基金属配位可调控形貌和表面润湿性，形成金属诱导螺旋纳米纤维和超亲水表面。N3选择性检测Fe²⁺，响应时间0.5 s，检测限1.84 nM。同年，Wu等还研究位置异构和金属配位对NAPP、NAMP、NAOP（分别带4-、3-、2-吡啶基）的影响。三者均可在不同有机溶剂和水混合溶剂中成胶，CGC和形貌取决于吡啶氮位置与溶剂。甲醇中NAPP和NAOP的CGC为8.33 mg mL^?1，NAMP为12.5 mg mL^?1。FESEM显示缠结纳米纤维、纳米带和不规则聚集体。FTIR和XRD表明氢键和π–π堆积重要，吡啶取代影响堆积。凝胶在365 nm紫外光下呈蓝色荧光，DMSO/H₂O (10:1, v/v)中发射约425–430 nm，溶液为437 nm。NAMP和NAOP成胶后吸收蓝移，符合H-型聚集。三者对Fe³⁺选择性猝灭，NAPP、NAMP、NAOP的LOD分别7.15、5.86和3.51 μM；金属离子还改变干凝胶形貌和表面润湿性。2025年，Bertouille等将NI衍生非天然氨基酸引入两亲肽H-FQFQFK-NH₂，获得荧光β-折叠水凝胶。NI嵌入β-折叠组装中，肽二级结构控制NI取向。NI增加疏水性和π–π作用，改善成胶和力学性能；在生理盐水中1% w/v直接形成稳定水凝胶。九种含NI水凝胶中八种显示AEE，β-折叠组织使发色团取向减少聚集导致猝灭（aggregation-caused quenching, ACQ），促进发射聚集。含Nap(N-Me)氨基酸的SBL-HG-299自组装后荧光增加超过25倍，存储模量约696 Pa，母体肽水凝胶约46 Pa，并保留触变和可注射行为。2025年，Kumari等报道超短水凝胶剂NI-FFE，NI与三肽Phe–Phe–Glu的N端共轭。FF促进β-折叠，谷氨酸提供水溶性和pH响应，NI作为AIE活性荧光团和芳香自组装驱动力。pH 5.5时1 wt/v%形成自支撑水凝胶，呈交织纤维，具触变和自修复性。光谱和分子动力学模拟支持反平行β-折叠及NI···NI和NI···苯丙氨酸芳香作用。自组装促进NI的J-型组织，405 nm强蓝光AIE，荧光增强超过1000倍，并显示诱导右手超分子手性。水凝胶剂对多种细胞系生物相容，NI荧光可用于细胞摄取可视化。2026年，Billeci等报道荧光铵盐家族，系统改变烷基链长度、连接带电头与NI核的间隔基以及Br^?/葡糖酸根反离子。NI兼具聚集敏感荧光团和芳香自组装贡献者，盐在水介质中显示J-型聚集和AIE。阳离子结构、疏水性和反离子的细微变化强烈影响成胶、荧光、力学和生物活性。盐在水和有机介质中为双向凝胶剂，若干水凝胶显示触变和自修复。葡糖酸根衍生物细胞摄取、细胞毒性和癌细胞选择性增强，诱导氧化应激、线粒体功能障碍和以凋亡为主的细胞死亡。释放实验表明水凝胶可释放NI-铵凝胶剂至足以发挥细胞毒作用的浓度。该工作将聚集依赖荧光、可调超分子力学、生物成像和治疗活性整合于单一自组装平台。补充材料比较了12项研究的分子设计、成胶条件、组装机制、光物理与力学性质、刺激响应行为和应用。需注意，单晶X射线衍射、干凝胶表征或干燥样品显微术所得结构信息不一定反映天然凝胶态分子组织；H/J聚集及AIE/AEE等分配需要适当光谱证据，颜色或发射强度变化本身不足以明确机制。

3. Conclusions and Future Perspectives（结论与未来展望）

2020–2026年研究表明，NI是荧光超分子凝胶的多功能构筑基元。其结构可调性、光物理性质和扩展芳香性使NI既作为发光发色团，又参与自组装。通过氢键、配位、氨基酸、肽或识别单元功能化，可获得有机凝胶、金属凝胶和越来越多水相容水凝胶。氢键和π–π堆积是最常见驱动力，常辅以范德华力、疏溶剂效应或金属配位。NI单元数或外围基团等细微修饰可显著改变成胶能力、聚集体形貌、表面性质和荧光。NI发色团在凝胶网络中的组织可促进或限制非辐射失活，产生AIE、AEE、凝胶化诱导荧光增强或荧光猝灭。刺激响应NI凝胶可将分子识别转化为光学和宏观响应，金属离子配位、pH、氧化还原等可调节荧光、形貌和凝胶稳定性，产生可逆凝胶–溶胶或凝胶–凝胶转变，用于金属离子传感、荧光显示、逻辑操作和响应表面。但铁离子传感策略较多，仍需多样化识别机制和应用。近期重要发展是从LMW有机凝胶剂转向生物相关NI水凝胶，氨基酸和短肽结合NI光物理性质与肽生物相容性和可编程自组装。肽基水凝胶显示AEE、改善力学、触变和可注射性。局限包括合成复杂、成胶对结构、溶剂、浓度和温度敏感、重现性挑战；不利聚集导致猝灭；水溶性有限；长期辐照稳定性研究不足；NI对成胶贡献取决于结构，不一定改善成胶。未来需结合显微、光谱、衍射、散射、计算和时间分辨光物理建立定量结构–组装–性质关系，如时间分辨荧光、瞬态吸收、SAXS/WAXS和固态NMR，并系统测定溶液、聚集和凝胶态量子产率与寿命。光物理上，NI凝胶多发射蓝到绿光，需拓展红/近红外发光，可通过扩展π共轭、增强供体–受体ICT、引入激发态分子内质子转移（ESIPT）基元实现，但需平衡成胶并抑制ACQ。生物医学应用需系统评估凝胶剂及降解产物生物相容性、浓度毒性、炎症和长期细胞效应，以及降解动力学、清除和积累；注射水凝胶需评估剪切变稀、注射后恢复、可注射性和生理条件下力学稳定性。NI凝胶作为软光子材料仍待探索，分级组织发色团为定向能量传输、光波导、F?rster共振能量转移和放大自发发射等提供平台，结合响应性、加工性和动态性可发展自适应光子材料。总体而言，NI基超分子凝胶已从简单荧光有机凝胶剂发展为多功能软材料，分子设计、超分子化学、定量光物理和应用材料科学的整合将推动其在传感、生物医学和新兴光子技术中的发展。