内容提要
本研究提出了一个通用的超分子策略，将传统的荧光团转化为重原子。由四种人工合成的荧光基团-花青、香豆素、罗丹明和BODIPY构建的超分子PS，由于自组装诱导的系统间交叉效率的增加，表现出显著的活性氧生成效率的增强。这些超分子PS还具有可见光光催化剂的功能，高效地从NADH中再生NAD+。致密的聚合物壳进一步保护酶免受活性氧诱导的失活，从而促进稳健的光酶催化系统的开发。
结果与讨论
Cy 3-CP-PEG构筑的超分子聚苯乙烯
我们选择Cy 3来证明这种策略。Cy3-CP-PEG是使用正交保护基化学设计和合成的，从同时具有Boc-和Dde-保护基的环肽开始。其平均直径和长度分别测定为6.3和8.7 nm。因此，Cy 3部分预期沿着环状肽基纳米管分子排列，溶剂化的PEG链缠绕在周围。与游离Cy 3相比，Cy 3-CP-PEG的吸收光谱和荧光光谱均发生了超过10 nm的红移。此外，Cy 3-CP-PEG在518 nm处的肩峰与551 nm处的主峰之比有所增加，Cy 3-CP-PEG的荧光量子产率仅为4.2%。因此，高度预期Cy3的ISC过程在自组装过程期间增强，因此充当敏化剂以在光照射下产生ROS。在绿色LED（515 nm）照射下，在存在游离Cy 3或Cy 3-PEG的情况下，DCFH在525 nm处的荧光强度的增加与不存在Cy 3的情况下几乎相同，表明游离Cy 3或Cy 3-PEG表现出。与此形成鲜明对比的是，在Cy 3-CP-PEG的存在下观察到荧光强度的显著增加。此外，超分子PS Cy 3-CP-PEG在水中表现出令人满意的稳定性，其ROS产生效率在6周内保持不变。
采用不同的荧光团拓宽范围
为了评估超分子策略对传统荧光团的更广泛适用性，选择了四类有机染料，包括菁、香豆素。罗丹明和BODIPY，代表数千种合成荧光团。首先用Cy 2、Cy3.5、Cy 5和Cy5.5四种菁染料合成了相应的菁-CP-PEG偶联物，SANS结果表明，Cy 2-CP-PEG、Cy3.5-CPPEG、Cy 5-CP-PEG和Cy5.5-CP-PEG均自组装成核壳结构如表S3中所总结的，在水中的所有四种缀合物在吸收和荧光光谱中均显示出红移，沿着低荧光量子产率，相反，所有的超分子PS都表现出明显优越的上级ROS产生效率。基于超分子策略在菁类化合物中的良好表现，我们进一步将其应用于罗丹明、香豆素和BODIPY，设计并合成了三种新的共轭物：RhB-CP-PEG、Cou-CP-PEG和BDP-CP-PEG令我们高兴的是，与游离染料相比，所有三种缀合物均表现出ROS产生速率的显著增强。3为了定量评估超分子PS的性能，使用曙红Y（在水中的浊度= 57%）作为参考测量在水中的浊度值。大多数超分子PS表现出与Cy 3-CP-PEG相当的浊度值，范围为12.1%至19.4%。同时，Cy 5-CP-PEG和Cy5.5-CP-PEG表现出略低的浊度。结果表明，环肽类超分子支架具有较好的光致发光性能，其光致发光性能优于环肽类超分子支架，其光致发光性能优于环肽类超分子支架，其光致发光性能优于环肽类超分子支架。
光酶催化体系的构建
受先前报道的区室化策略的启发，我们假设独特的核-壳结构的超分子PS可以作为可见光介导的光催化剂，促进光酶催化体系的发展。超分子PS在其催化中心有效地从NADH再生NAD+，而密集的亲水性聚合物壳保护酶免受光生ROS的有害影响。在超分子PS Cy 3-CP-PEG存在下，在绿色LED照射后，δ = 8.43和8.19 ppm处的特征化学位移（归属于NADH）随时间降低，而δ = 9.29、9.12和8.79 ppm处的信号，相应于NAD+的烟酰胺组，同时增加，照射40分钟后，所有的NADH都转化为NAD+，在340 nm处的吸收带逐渐减少，归因于NADH，在PBS缓冲液中，在存在NADH的情况下，在超分子PS Cy 3-CP-PEG的照射过程中观察到，使用NADH标准曲线计算，并拟合至一级反应方程，在Cy 3-CP-PEG浓度为5 µM时，反应速率系数为4.96 × 10−3 min−1，在浓度为10 µM和20 µM时，反应速率系数分别增加到9.72 × 10−2和1.63 × 10−2 min−1。
为了阐明光催化NAD+再生的机制，进行对照实验。猝灭剂1O2对NADH氧化速率没有影响，表明1O2对NAD+的再生没有贡献。此外，发现分子氧对于NADH氧化是不必要的，当反应体系脱气时，反应速率保持不变。相反，（光生空穴清除剂）显著减慢了反应速率。最后，光照射是必不可少的，因为在黑暗中没有发生转化。总的来说，根据文献，结果表明涉及超分子PS的激发三重态和NADH之间的电子转移过程的反应机理。选择葡萄糖1-脱氢酶（GDH）作为生物催化系统的酶。在该反应中，以NAD+为辅因子，β-d-葡萄糖为底物，β-d-葡萄糖被氧化为d-胆甾-1，5-内酯（GDL），而NAD+被还原为NADH。该过程通过紫外可见光谱和1H NMR光谱证实。将Cy 3-CPPEG光催化体系与GDH生物催化体系相结合，可实现β-d-葡萄糖连续转化为GDL的光酶催化体系。我们用500 μM NAD+和1 mM β-d-葡萄糖测试了该系统。如图S31所示，在没有光的情况下，只有一半的β-d-葡萄糖转化为GDL，为了进一步考察该体系转化β-d-葡萄糖为GDL的能力，将β-d-葡萄糖的浓度增加到5 mM，在黑暗中只有10%的β-d-葡萄糖被氧化，而在光照下，β-d-葡萄糖连续转化为GDL，10 h后转化率达到60。这些结果清楚地表明成功构建了光酶催化系统，其中光催化系统和生物催化系统通过NADH/NAD+偶联。为了评价光催化系统中的光催化系统和生物催化系统的活性，使用UV-vis光谱通过每10分钟交替打开和关闭光来监测NADH浓度的变化。当最初关闭光10分钟时，观察到NADH浓度的增加，表明生物催化反应正在发生，其将NAD+转化为NADH并将β-d-葡萄糖氧化为GDL。随后，当用绿色LED光照射该系统10分钟时，注意到由于光催化的NAD+从NADH的再生，NADH浓度降低。重要的是注意到光催化的NADH-至-NAD+转化仅在光照射下发生，而酶催化的NAD+-到-NADH的转化发生。在黑暗和光照条件下，观察到NADH浓度的变化与之相比，在以曙红Y为PS的说明了每个循环中酶活性的变化。体系中，在第一个循环后，NADH浓度的变化逐渐减小，表明酶失活。说明了每个循环中酶活性的变化。在Cy 3-CP-PEG的情况下，酶活性得以保留，而在曙红Y组中观察到显著的下降。此外，对照组用Cy 3-CP（不含PEG）作为PS，观察到酶活性的急剧下降。这有力地支持了我们的假设，即PS的亲水壳有效地保护了酶。超分子PS的光催化活性保持在80%以上。10个循环后，LED照明总计100分钟。然后，我们试图通过增加光照强度来加速反应。
总结
我们成功地构建了一系列传统荧光团衍生的无重原子的超分子PS。使用基于环肽的超分子支架的荧光团部分的自组装显着提高了它们的ISC效率，导致ROS产生的显着增加。此外，超分子PS在可见光照射下有效地从NADH再生NAD+，这一特性沿着其独特的核-壳结构，使其在光酶催化体系中具有潜在的应用前景，不仅为利用现有的环肽类超分子支架，进一步开发其他有机荧光团衍生的不含重原子的超分子PS开辟了道路。
参考文献
Heavy-Atom-Free Supramolecular Photosensitizers Derived from Conventional Fluorophores,Lingfeng Fan, Yong Wu, Cong-Qiao Xu, Hanqiu Jiang, Zhenhua Xie, Yubin Ke, Jun Li,and Qiao Song*: Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202508968,doi.org/10.1002/anie.202508968
