近年来，近红外（NIR）光催化因其优异的时空控制能力、深组织穿透性和生物相容性，在合成化学、生物材料制备和生物医学工程中展现出巨大潜力。然而，NIR光子能量低导致自由基生成效率不足，难以合成超高分子量（UHMW）聚合物河南股票配资网站，且传统方法需使用高浓度催化剂（ppm至mM级别），限制了其实际应用。酶级联催化和光酶催化虽有所进展，但仍存在空间分离导致的效率低下或依赖短波长光源等问题，制约了其进一步发展。
为解决上述挑战，吉林大学安泽胜教授团队开发了一种新型超分子近红外光酶（SNIRPE）系统，该系统由葡萄糖氧化酶（GOx）和四磺酸锌酞菁（ZnPcS₄⁻）通过非共价作用自组装而成，实现了酶催化脱氧与光催化产自由基的高效协同。在NIR光照下，GOx生成的H₂O₂被ZnPcS₄⁻原位分解产生羟基自由基（·OH），从而在仅50 ppb的极低催化剂负载下，实现了氧耐受、高通量的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合，成功合成了分子量超过1000 kg mol⁻¹、分散度低于1.20的超高分子量聚合物，其催化效率比传统NIR光催化系统提高了3–4个数量级。相关论文以“Near-Infrared Photoenzymatic Catalysis at ppb Levels Enables Ultrahigh-Molecular-Weight Polymers”为题，发表在
JACS上，论文第一作者为Li Ruoyu。
研究人员通过光谱和计算模拟系统表征了SNIRPE的自组装行为。荧光实验表明，ZnPcS₄⁻在高浓度下发生聚集导致荧光猝灭，而加入GOx后可使其解聚并恢复荧光，表明蛋白质介导的分散作用。进一步的时间分辨荧光和静态猝灭分析证实了GOx与ZnPcS₄⁻之间形成1:1复合物，结合常数高达5.62×10⁶ M⁻¹。分子动力学模拟揭示了其结合过程分为快速分离、随机运动和稳定结合三个阶段，关键氨基酸残基（如Arg93、Arg333、Tyr66等）通过静电、氢键和配位作用将ZnPcS₄⁻定位于GOx空腔入口，实现了空间受限的级联催化。
图1. 可控自由基聚合催化策略的比较分析 （a）传统NIR光催化需高催化剂负载且通常得到低分子量聚合物；（b）酶级联催化因催化剂空间分离缺乏协同效应；（c）光酶系统使用短波长光，降低生物相容性；（d）SNIRPE将GOx与ZnPcS₄⁻整合于空间受限组装体中，实现超低催化剂负载下的氧耐受UHMW聚合物合成。（i）ZnPcS₄⁻（绿色）与GOx（PDB: 1GAL）结合的结构模型；（ii）催化路径：GOx消耗O₂生成H₂O₂，ZnPcS₄⁻在NIR光照下分解H₂O₂产生羟基自由基。
图2. SNIRPE组装表征 （a）ZnPcS₄⁻在680 nm处的荧光强度随浓度变化，高浓度下发生聚集诱导猝灭；（b）逐步加入GOx后ZnPcS₄⁻荧光恢复，表明蛋白质介导的解聚集；（c）荧光成像显示ZnPcS₄⁻与GOx结合后发射增强；（d）GOx荧光寿命在ZnPcS₄⁻存在下降低，证实能量转移；（e）ZnPcS₄⁻对GOx荧光的静态猝灭，表明基态复合物形成；（f）Stern-Volmer分析得出结合常数为5.62×10⁶ M⁻¹，结合化学计量比为1:1。
图3. 结合动力学与超分子相互作用 （a）ZnPcS₄⁻的RMSD随时间变化及Zn-N距离动态；（b）二维PMF图谱显示结合过程中的能量状态；（c）IGMH分析揭示ZnPcS₄⁻与GOx残基间的关键非共价相互作用；（d）ZnPcS₄⁻定位于GOx空腔入口的结构模型，由精氨酸和酪氨酸残基稳定。
在催化机制方面，研究人员发现GOx介导的脱氧过程优先于ZnPcS₄⁻的光敏化产生活性氧，确保了H₂O₂的高效生成。使用荧光探针验证了只有在完整的SNIRPE系统（GOx/葡萄糖/ZnPcS₄⁻/NIR）中才能检测到·OH的生成，进一步证实了级联反应路径：GOx消耗O₂生成H₂O₂，ZnPcS₄⁻在NIR光照下分解H₂O₂产生·OH，为可控聚合提供稳定的自由基源。
图4. SNIRPE催化机制 （a）ZnPcS₄⁻驱动光敏化与GOx介导脱氧之间的竞争性O₂消耗路径；（b）ADPA氧化检测单线态氧生成，显示GOx脱氧占主导；（c）GOx活性测定表明SNIRPE运作中几乎不产生单线态氧；（d）CCA荧光监测证实·OH仅在全系统条件下生成。
在聚合应用中，SNIRPE系统展现出优异的控制能力和通用性。在微孔板中进行的高通量RAFT聚合中，多种单体（如DMA、NAM、PEGA等）均能获得分子量分布窄（Đ ≤ 1.16）、转化率高（≥82%）的聚合物。通过降低光照强度至30 mW cm⁻²，系统成功合成了UHMW聚合物（如Mn = 1070 kg mol⁻¹，Đ = 1.34），且分子量与理论值高度吻合。系统还支持多种链转移剂（CTA）和聚合物架构，如线性、星形、统计共聚物以及通过无皂乳液聚合得到的嵌段共聚物，展现了其在复杂聚合物合成中的潜力。
图5. SNIRPE催化合成UHMW聚合物 （a）以DMA为模型单体的SNIRPE-RAFT聚合示意图；（b）不同光强下UHMW PDMA合成动力学；（c）分子量与分散度随转化率变化；（d）30 mW cm⁻²下不同时间GPC曲线；（e）使用不同CTA合成的线性UHMW聚合物；（f）星形UHMW聚合物；（g）统计共聚物；（h）乳液聚合得到的嵌段共聚物；（i）100 mL规模放大合成。
更令人印象深刻的是，该系统具备良好的穿透性和生物相容性。在透过5 mm厚猪皮组织的NIR光照下，仍能高效引发聚合，获得分子量为1400 kg mol⁻¹、分散度为1.29的UHMW聚合物，显著优于红光和黄光条件，显示出在生物医学应用中具备非侵入式合成的潜力。
图6. 透过猪皮的光聚合 （a）NIR光透过猪皮进行聚合示意图；（b）不同光源穿透猪皮后的剩余光强；（c）不同光源下单体转化率对比；（d）目标DP=20,000时所得PDMA的GPC曲线。
机制研究表明，GOx能快速消耗溶解氧并维持低氧环境，H₂O₂在系统中缓慢积累并维持在较低浓度（<2.1 mM），而外源添加H₂O₂即使浓度高达210 mM仍无法有效推动聚合，凸显了原位生成H₂O₂的高效性。此外，催化剂负载量可低至50 ppb仍能合成UHMW聚合物，进一步证明了SNIRPE系统的卓越催化效率。
图7. SNIRPE催化性能优势 （a）微孔板反应中·OH生成示意图；（b）溶解氧与顶空氧浓度随时间变化；（c）H₂O₂积累动力学；（d）SNIRPE与外加H₂O₂系统的聚合效率对比；（e）GOx对外加H₂O₂系统聚合的抑制效应；（f）不同ZnPcS₄⁻浓度下的单体转化率；（g）20 ppb与50 ppb催化剂下所得PDMA的GPC曲线。
综上所述，SNIRPE系统通过将酶催化与光催化巧妙结合，在极低催化剂用量下实现了对UHMW聚合物的精准合成，解决了NIR光控聚合中长期存在的效率低和分子量受限的难题。该系统不仅具备良好的可扩展性和架构控制能力，还能穿透生物组织进行聚合，为生物医学材料合成、组织工程和远程医疗应用提供了新的技术路径。未来，这一非共价设计的超分子光酶平台还有望拓展至更多酶-光敏剂组合，推动协同催化在合成化学与生物医学中的深度融合。
来源：高分子科学前沿
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