在光驱动分子马达中实现的荧光

旋转分子马达于1999年在格罗宁根大学有机化学教授BenFeringa的实验室中首次创建。这些电机由光驱动。由于许多原因，能够使这些运动分子可见是一件好事。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实验室现在以两种不同的方式成功地做到了这一点。这两种类型的荧光光驱动旋转电机在NatureCommunications(9月30日)和ScienceAdvances(11月4日)中有描述。

“在过去几十年成功设计分子马达之后，下一个重要目标是使用此类马达控制各种功能和特性，”2016年诺贝尔化学奖获得者Feringa解释说。“因为它们是光动力的。旋转电机，设计一个除了旋转运动之外还具有由光能控制的另一个功能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;要么是光驱动电机运行但没有荧光，要么有荧光但电机不运行。Feringa说：“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。”

现在在日本东北大学担任教授职位的Feringa小组的博士后研究员RyojunToyoda在经典的Feringa旋转电机中添加了荧光染料。“诀窍是防止这两个功能相互阻塞，”丰田章男说。他设法消除了染料和电机之间的直接相互作用。这是通过将染料垂直于它所连接的电机的上部来完成的。“这限制了互动，”丰田章男解释道。

不同的颜色

这样，电机的荧光和旋转功能可以并存。此外，事实证明，改变溶剂可以让他调整系统：“通过改变溶剂极性，可以改变两种功能之间的平衡。”这意味着电机已经对其环境变得敏感，这可能为未来的应用指明方向。

合著者、格罗宁根大学理论化学教授ShirinFaraji帮助解释了这是如何发生的。她小组的博士后KianaMoghaddam进行了广泛的量子力学计算，并展示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特性是，只要它们具有相似的结构，就可以将不同的染料附着在上面。“因此，制造发出不同颜色的电机相对容易，”丰田章男说。

双功能电机是通过将天线化学连接到分子电机来制备的。可以使用不同波长的光来控制旋转和光致发光(PL)。学分：卢卡斯·菲佛

天线

第二个荧光电机由LukasPfeifer构建，同时也是Feringa小组的博士后研究员。此后，他加入了位于瑞士洛桑的联邦理工学院：“我的解决方案基于我已经制造的一种运动分子，它由两个低能近红外光子驱动。”由近红外光驱动的电机在生物系统中很有用，因为这种光比可见光更深入地渗透到组织中，并且比紫外线对组织的危害更小。

“我在电机分子上添加了一个天线，它收集两个红外光子的能量并将其传输到电机。在研究这个过程中，我们发现通过一些修改，天线也可以产生荧光，”Pfeifer说。事实证明，分子可以有两种不同的激发态：在一种状态下，能量被转移到电机部分并驱动旋转，而另一种状态使分子发出荧光。

力量

“在第二个电机的情况下，整个分子都会发出荧光，”MaximPshenichnikov教授解释说，他对两种类型的荧光电机进行了光谱分析，并且是两篇论文的合著者。“这种马达是一种化学实体，其上的波函数不是局部的，并且根据能级，可以产生两种不同的效果。通过改变光的波长，从而改变分子接收的能量，你可以得到任何一种旋转或荧光。”Faraji补充说：“我们在原则和实践中的协同方法突出了理论和实验研究之间的相互作用，并说明了这种联合努力的力量。”

现在该团队已经在同一个分子中结合了运动和荧光，下一步将是通过追踪荧光来显示运动并同时检测分子的位置。Feringa说：“这是非常强大的，我们可以应用它来展示这些马达如何穿过细胞膜或在细胞内移动，因为荧光是一种广泛使用的技术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电机引起的运动，例如在纳米级轨迹上，或者在纳米级上追踪电机诱导的传输。这都是后续研究的一部分。