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  高分子力化學(xué)是目前高分子研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域。與傳統(tǒng)光、熱等刺激不同, 高分子力化學(xué)通過機(jī)械力來引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生特定的響應(yīng)——包括顏色和熒光變化、化學(xué)發(fā)光、小分子和藥物釋放、催化劑生成、和反應(yīng)路徑的改變。在這類機(jī)械力響應(yīng)高分子材料中，具有力致變色性能的力敏團(tuán)在單分子力譜和原位力學(xué)傳感方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。其中機(jī)械力響應(yīng)的近紅外熒光材料倍受關(guān)注。近紅外光具有深度組織穿透力，低生物熒光背景和低光毒性等優(yōu)點(diǎn)。近紅外熒光開關(guān)在生物成像，醫(yī)療診斷，防偽和光學(xué)信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。因此，開發(fā)近紅外力敏團(tuán)可以極大地?cái)U(kuò)展力化學(xué)在生物力學(xué)，醫(yī)學(xué)成像和工程材料等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，開發(fā)近紅外力敏團(tuán)面臨著合成路線復(fù)雜，化學(xué)穩(wěn)定性差和力轉(zhuǎn)化效率低等諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的力敏團(tuán)設(shè)計(jì)策略并不能有效地應(yīng)用于近紅外力敏團(tuán)的開發(fā)。

  近日，美國(guó)克拉克森大學(xué)（Clarkson University）化學(xué)與生物分子科學(xué)系呂曉村教授課題組和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD）劉曉剛教授課題組合作報(bào)道了首個(gè)近紅外熒光力敏團(tuán)（圖1）。該力敏團(tuán)能夠在溶液、薄膜及固態(tài)材料中實(shí)現(xiàn)近紅外吸收和熒光信號(hào)的力激活響應(yīng)。基于這個(gè)力敏團(tuán)，研究者開發(fā)出一種機(jī)械力響應(yīng)的近紅外變色高分子材料。

  研究者們巧妙地將具有刺激響應(yīng)性能的1,3-苯并噁嗪（OX）分子開關(guān)和近紅外花菁（Cy7）染料結(jié)合，給Cy7染料穿上了用OX開關(guān)分子做成的“斗篷”，從而隱藏其潛在的近紅外染料特性。在機(jī)械力（超聲，撞擊或切割）作用下，OX開環(huán)異裂并產(chǎn)生了吲哚氮正電荷。正電荷離域到Cy7的共軛結(jié)構(gòu)中，急劇降低了分子帶隙，從而最終實(shí)現(xiàn)該近紅外熒光力敏團(tuán)在溶液態(tài)和固相態(tài)的多重機(jī)械力響應(yīng)。

圖1：近紅外力敏團(tuán)分子設(shè)計(jì)策略。

  研究者們將新開發(fā)的近紅外力敏團(tuán)嵌入高分子鏈中，構(gòu)建出高分子材料。用刀片切割該材料制成的薄膜后，熒光顯微鏡可清晰地采集到損傷切口處的近紅外熒光信號(hào)（圖2a）。在機(jī)械力的刺激下，該材料也可以實(shí)現(xiàn)可逆變色（圖2b）。在此過程中，光纖光譜儀可采集到近紅外熒光在固態(tài)下的激活變化。

圖2：薄膜和固態(tài)材料中的機(jī)械力激活近紅外變色響應(yīng)及熒光光譜。

    這類材料在損傷檢測(cè)，生物成像和力化學(xué)傳感領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。該機(jī)械力探針的構(gòu)筑策略也為后續(xù)開發(fā)近紅外二區(qū)機(jī)械力響應(yīng)材料奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)成果近期以“Force-Induced Near-Infrared Chromism of Mechanophore-Linked Polymers“為標(biāo)題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)頂級(jí)期刊JACS上，并被選為內(nèi)封面論文（圖3）。Clarkson University化學(xué)系與生物分子科學(xué)系博士后祁清凱為本文的第一作者；呂曉村教授和劉曉剛教授為本論文的共同通訊作者。

  參考文獻(xiàn)：

  Qi, Q.; Sekhon, G.; Chandradat, R.; Ofodum, N. M.; Shen, T.; Scrimgeour, J.; Joy, M.; Wriedt, M.; Jayathirtha, M.; Darie, C. C.; Shipp, D. A.; Liu, X.; Lu, X. Force-Induced Near-Infrared Chromism of Mechanophore-Linked Polymers. J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c05923.

  https://doi.org/10.1021/jacs.1c05923