自2001年唐本忠教授及其团队首次提出“聚集诱导发光”(AIE) 这一创新性的概念后， AIE荧光材料因为其在传感及生物医药等领域的重要应用吸引了越来越多研究人员的关注；因此，一系列关于聚集诱导发光材料的报导应运而生。值得注意的是，这些荧光材料的构建大都遵循同一个机理：分子内旋转受限 (restriction of intramolecular rotations, RIR)。而在这些材料体系中，四苯乙烯（TPE）作为一个经典的AIE单元通过与不同载体的结合表现出的发光性能成为该领域的一个研究热点。与此同时，具有圆偏振发光（CPL）性能的材料在3D显示等领域有着广泛的应用前景。构筑具有高发光不对称因子 (glum)，明确结构性能的手性发光材料成为此研究领域的关键。

图1. 含有TPE的1:1 L-α/L-sulfono-γ-AA peptide多肽化合物的螺旋结构示意图。

近日，南佛罗里达大学蔡健峰（点击查看介绍）团队与李霄鹏（点击查看介绍）团队和南京大学的郑佑轩（点击查看介绍）教授合作报道了兼具聚集诱导发光和圆偏振发光两种功能的发光材料。蔡健峰教授一直致力于新型非天然多肽骨架AApeptide的化学发展和结构及在生物有机化学和化学生物学中的研究。在这篇文章中，他们合成出了含有TPE的γ-AAPeptide，通过其与天然氨基酸的杂化得到了三种不同的1:1 L-α/L-sulfono-γ-AA peptide多肽化合物，并用X射线单晶衍射和圆二色谱证明了此类多肽具有类似于α-helix的右手螺旋结构（图1）。

在H2O/PBS缓冲液体系中，作者考察了螺旋结构、电荷及TPE与主体骨架距离对发光效率的影响。多肽化合物1可以完全溶解于纯水中，当溶液中PBS含量为99%时有固体析出，但在PBS缓冲液比例增加的过程中，其量子产率保持稳定（ΦF在35%左右）。这一现象符合作者的预设：不同于普通的聚集诱导发光，在溶液中多肽1的发光主要来源于螺旋结构对于四苯乙烯的转动限制。在多肽化合物2中，赖氨酸的引入被认为会通过柔性的氨基侧链和静电力的排斥作用使螺旋骨架变得不稳定，因此作者认为TPE的旋转自由度会因此而增加。有意思的是，在纯水中化合物2的量子产率只有5%，但当PBS的含量从0%增加到10%，虽然化合物依旧完全溶解于溶液体系中但量子产率出现了激增（ΦF=35%）；而且随着PBS含量的进一步增加，量子产率继续提高到45%。这是一个典型的聚集态稳定螺旋结构的AIE现象。化合物3保留了多肽2中的赖氨酸结构，但不同的是在1和2中TPE通过磺酰基直接与多肽骨架相连，而3中的TPE则通过乙烷磺酰基与主体骨架连接。相似的，在正电荷排斥力的作用下，3的量子产率在纯水中只有20%，但随着PBS比例的逐步增多，其量子产率在PBS为60%时上升到了79%。作者推测，由于TPE与主体骨架之间的距离增加，螺旋结构对于四苯乙烯的转动限制变弱导致了PBS为0%时的低量子产率。而随着不良溶剂的增加，聚集态稳定螺旋结构和聚集诱导发光增强的共同作用使得量子产率得到大幅度提高。此外，作者还通过透射显微镜(TEM)和动态光散射(DLS)研究了3种多肽化合物的聚集行为。

图2. 化合物1的CPL谱图。

在此类多肽化合物呈现出右手螺旋结构的基础上，作者认为其也应具有圆偏振发光的性能。在CPL的测试中，所有的化合物均表现出圆偏振发光，其中化合物1的glum会随着PBS含量的增大而增大并最高到达1.2 ×10-2（图2）。相对于已报导的具有CPL的小分子以及高分子聚合物来说，这类多肽化合物不仅具有高发光不对称因子，而且其完备清晰的单晶结构为日后应用性能的开发提供了可能。

图3. 荧光显微镜下化合物2和3 与细菌作用的细胞影像。

鉴于多肽化合物2和3含有阳离子极性官能团和疏水基团，作者认为它们的结构满足模拟抗菌拟肽的宿主防御多肽 (host-defense peptides, HDPs) 的条件。HDPs的抗菌机制通常被认为：多肽的正电荷极性基团通过静电作用与带负电荷的细菌膜脂层结合，同时非极性面通过与细胞膜间的疏水作用插入并破坏细胞膜壁，从而起到杀菌的作用。基于这一推断，作者测试了两种化合物的抗菌活性，结果证实二者的确可以有效杀死革兰氏阳性金黄色葡萄球菌 (S. aureus)。化合物2和3的自发光性能也促使作者使用三维高分辨荧光显微镜进一步研究该类化合物在活细胞中的定位及灭菌效力。通过化合物2和3与不同菌群的作用，作者发现：在低浓度下该类化合物可以使S. aureus 的细胞变形，失去完整性，最终促使细胞裂解（图3）。这一现象证明了它们的抗菌活性源自于多肽化合物与细菌细胞膜的作用，与作者的假设相符。

在此，作者报导了一系列新颖的含有四苯乙烯的手性螺旋多肽化合物。通过对它们光学性质的研究作者认为螺旋的多肽骨架可以有效地限制TPE的分子内旋转从而诱导发光；同时AIE现象也共同增加了发光效率。右手螺旋的多肽结构精准的调控了TPE的分布，从而使圆偏振发光性能的实现成为可能，也为其未来在手性识别和手性催化剂的应用提供保证。化合物的自发光特点也为这类化合物日后在抗菌机制方面的研究打下基础。

该工作最近在J. Am. Chem. Soc.上发表，南佛罗里达大学博士后石岩博士、尹光强博士为文章的共同第一作者，蔡健峰教授、李霄鹏教授和南京大学郑佑轩教授为文章的共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Helical Sulfono-γ-AApeptides with Aggregation-Induced Emission and Circularly Polarized Luminescence

Yan Shi, Guangqiang Yin, Zhiping Yan, Peng Sang, Minghui Wang, Robert Brzozowski, Prahathees Eswara, Lukasz Wojtas, You-Xuan Zheng, Xiaopeng Li, Jianfeng Cai

J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b05329

导师介绍

蔡健峰

http://jianfengcai.myweb.usf.edu/index.html

https://www.x-mol.com/university/faculty/47852

李霄鹏

http://faculty.cas.usf.edu/xiaopengli1/Index.html

https://www.x-mol.com/university/faculty/43023

郑佑轩

http://hysz.nju.edu.cn/yxzheng/

https://www.x-mol.com/university/faculty/11588

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