英文原题：Programmable Multi-State Fluorescence Switching on a Dynamic Molecular System via Sequential Dynamic Covalent Chemistry and Applications
通讯作者：孙晓龙，西安交通大学
作者：Xiangkun Si (司向坤), Liren Xu (许立人), Yifan Wen (文一帆), Xiaolong Sun* (孙晓龙)
研究背景：
开发能够模拟生物适应性行为的智能分子系统是材料科学和化学的前沿方向，其核心在于通过动态分子结构调控实现对外部刺激（如光、温度、机械、化学信号或pH变化）的响应，构建具有编程功能的智能材料。这类分子体系或刺激响应材料系统通常依赖于连续的化学反应、动态共价化学和分子开关等微观机制，以实现对宏观功能状态的精确控制，广泛应用于药物递送、分子传感和纳米技术等领域。然而，如何实现在水性环境中整合多种反应模式并实现可逆、高效的多稳态、多功能响应，仍是当前面临的主要挑战，推动新型刺激驱动的动态分子系统的发展成为该领域的重要方向。
图1. 通过迈克尔加成消除动态共价化学反应，实现由化学和pH刺激驱动的可编程多态荧光切换分子体系
文章亮点：
近日，西安交通大学孙晓龙团队在Precision Chemistry上发表了级联动态可编程多态荧光分子开关体系及其成像应用研究的文章。介绍了一种基于苯并偶联受体的新型化学和pH响应动态分子系统，该系统通过化学触发物启动程序化顺序转化，并利用动态共价键实现独特的pH门控分子内羟基/硫醇-迈克尔加成-消除反应，依次生成多个结构明确的物种，同时伴随显著的光物理特性变化，产生多种荧光发射状态。该系统在水相中高效、精准的运行，并通过精确控制的pKa值实现pH门控和可逆性（图1）。
在表征各个分子转变过程（状态 1 → 2、2 ⇌ 3、3 ⇌ 4）之后，作者进一步原位验证了整个动态系统的程序化顺序操作，从初始共轭受体 CA（状态 1）出发，通过化学和 pH 触发的级联反应实现。该实验在单个集成分子平台上验证了分子结构重排与荧光切换的动态行为（图2）。
图2. 由化学和pH触发器驱动的集成级联动态分子系统及荧光和核磁进行原位实时跟踪
接下来，为证明分子系统pH响应的可调性并获得进一步的机理验证，作者研究了取代基效应对控制每个步骤平衡的影响。基于共轭受体（CA-R）分子骨架合成了一系列衍生物，其中包含代表性的吸电子基团（R = -NO2、 −F、 −Br） 和供电子基团（R = −NH2）（图3）。结果表明，oxa-Michael 和thiol-Michael切换步骤的pH响应窗口（pKa2和 pKa3）可以通过取代基修饰进行合理调整，而初始触发的pKa1数值保持相对恒定。以上结果为进一步的分子结构衍生及动态行为调控提供重要参考。
图3. 取代基效应对序列动态系统pH灵敏度的影响
以上数据和分析结果建立了连续的化学和pH驱动的分子转化过程以及荧光切换行为，为后续的应用探索奠定分子和理论基础。进一步的，本研究利用上述动态分子系统实时监测软材料基质中的拓扑变化。首先，将核心分子共轭受体CA组分通过巯基置换反应整合至水凝胶网络系统中（如图4，Gel-1）。进一步通过化学刺激，实现水凝胶的降解以及荧光的开启（如图4，Sol）。通过pH调控进一步组装为新型水凝胶体系并实现分子结构的转化和荧光变化的实时跟踪（如图4，Gel-2）。进一步的pH调控实现分子在限域空腔内的可逆反应（如图4，Gel-2）。以上实验实时追踪了化学触发的凝胶降解以及随后的pH介导的原位荧光变化与重组过程。实验成功验证了该集成的动态共价化学与荧光报告系统在监测软材料中复杂拓扑转变方面的有效性与实用性。
图4. 使用集成的动态化学和荧光跟踪监测化学触发的水凝胶降解和pH介导的重组
此外，上述动态共价系统的pH响应特性具有在生物成像中的应用潜力。众所周知，pH波动与重要的细胞过程和细胞器活动密切相关，因此实现原位和实时的荧光跟踪和成像对理解与pH相关疾病具有重要促进作用。为适应细胞环境以及提高成像效果，作者通过在分子骨架中引入三苯胺，合成了一种具有增强光物理特性的CA受体衍生物，探针的发射波长和荧光量子产率显著提升，使分子系统适用于生物学环境的要求。进一步该衍生物可被用作可逆的荧光探针，实现了动态监测活细胞内生物学相关酸性范围内的pH值波动（图5）。
图5. pH响应荧光探针TPA-SH的分子动态行为研究-表征和细胞成像应用探索
总结/展望：
本文设计并构建了一种多刺激响应、多稳态动态分子系统，能够通过化学和物理刺激（如pH变化）触发程序化、级联的分子结构转换。该系统结合了分子间巯基偶联与分子内氧杂和巯基-Michael加成/消除反应，实现了对多步分子重构的精准控制，并在水性环境中表现出连续的荧光切换。该系统具有高效率和可逆性，能够通过pH门控实现状态转换，并成功应用于监测软材料的拓扑变化及活细胞内的pH波动。该研究为构建多刺激响应、多状态的智能分子系统提供了可推广的策略，为开发自适应材料、传感平台及诊断治疗工具开辟了新途径。
Cite this：https://doi.org/10.1021/prechem.5c00047