基于激发态光酸调控光响应动态系统的研究与进展

Research and Progress on Light-Responsive Dynamic Systems Regulated by Excited-State Photoacids

摘要: 激发态光酸是一类独特的分子，其在光激发后能够释放质子，并表现出基态与激发态之间显著差异的pKa变化。这一特性赋予光酸在调控多种动态过程中的独特优势，使其成为构建光响应体系的重要工具。本文综述了近年来基于光酸特性发展的光驱动功能动态系统，重点探讨了光激发条件下光酸向特定化学基团发生质子转移所引发的体系平衡移动及其所导致的动态响应行为。具体内容涵盖了光酸在纳米结构自组装、液滴自驱动运动、二氧化碳捕获催化、酶介导纳米器件以及质子传导型离子载体与材料性能调控等方面的应用。最后，本文总结了光酸在实际应用中的设计原则，讨论了当前存在的主要挑战，并展望了未来的发展方向。

Abstract: Excited-state photoacids represent a unique class of molecules capable of releasing protons upon photoexcitation, accompanied by a pronounced shift in pKa between the ground and excited states. This distinctive property endows photoacids with powerful advantages in modulating diverse dynamic processes, thereby establishing them as versatile tools for the construction of photoresponsive systems. This review summarizes recent advances in photoacid-regulated, light-driven dynamic systems, with particular emphasis on how photoinduced proton transfer from photoacids to specific functional groups shifts system equilibria and subsequently induces dynamic responses. Applications discussed include photoacid-mediated regulation of nanoscale self-assembly, self-propelled droplet motion, catalytic carbon dioxide capture, enzyme-mediated nanodevices, and proton-conducting ion carriers and functional materials. Finally, design principles for practical photoacid applications are outlined, current challenges are analyzed, and future research directions are proposed.

1. 背景介绍

光酸是一类在特定波长光照下能够释放路易斯酸或布朗斯特酸的化合物。早期对该类化合物的研究主要集中在光生酸剂(photoacid generator, PAG)上[1] [2]。这类分子经历不可逆的光诱导分解反应，从而生成酸。所产生的酸可应用于多种反应过程中，如聚合、交联及光刻等。第二类光酸是指能够发生可逆光诱导结构变化(如开环/闭环)的分子，其中以螺吡喃–部花青体系最为典型。由于涉及显著的结构转变，其可逆过程通常较为缓慢(时间尺度为数秒至数小时) [3] [4]。本文将重点论述第三类光酸，即那些在电子激发态下可释放质子、酸性发生显著变化的分子，因此也可称为“激发态光酸”。例如，某些含羟基的分子(ROH)在激发态下的pKa*值远低于其基态pKa (图1) [5]-[9]。常见的激发态光酸包括吡喃宁(HPTS)、萘酚和羟基香豆素等。其中，“超级光酸”是一类特殊的子类，其pKa*值极低(通常小于2)，如某些萘酚或花青衍生物(图1) [10]-[24]。激发态光酸经历可逆的光致激发态质子转移(ESPT)过程。与前述类型相比，该过程具有极快的动力学特征(时间尺度为纳秒至微秒)。ESPT的反应机制、可逆性以及超快时间尺度，使激发态光酸与其他光酸类型形成鲜明区分。尤为重要的是，前两类光酸往往会导致水溶液pH值的持久性下降，而激发态光酸则不会引发这一效应。这一差异决定了激发态光酸所能适用的独特反应过程与应用场景。

Figure 1. Common excited-state photoacid and their pKa values [25]-[28]

图1. 常见的激发态光酸及其pKa值[25]-[28]

1.1. 激发态光酸

对激发态光酸的研究可追溯至近一百年前(图2)。Weber最早观察到某些有机分子在电子激发态下pKa发生位移的现象，随后Förster利用热力学循环对该现象进行解释，并提出了估算激发态pKa*的方法，Weller则进一步发展和完善了这一理论[29]-[32]。

将光酸用作生物探针的设想出现于20世纪60年代末[29]。几年后，Loken等人证实，ESPT过程可用于研究光酸探针所处微环境的变化[33]。随着时间分辨光谱技术的发展，以吡喃宁(HPTS)为代表的光酸探针逐渐成为研究ESPT过程的重要工具[25]。此后，更多种类的激发态光酸相继被开发出来。

在理论方面，20世纪80年代建立了基于光酸解离后质子扩散动力学的理论模型[34]。此后，Tolbert等人系统研究了光酸分子结构与其酸性强度之间的构效关系，并由此设计出具有极低pKa*值的“超级光酸”[35]。近十年来，光酸近一步被应用于功能动态系统之中，这类系统依托光诱导瞬时质子释放或吸收机制，实现了对多种过程的可逆调控[36]。

Figure 2. The timeline of the photoacid research [29] [34]-[36]

图2. 光酸发展历史[29] [34]-[36]

1.2. 光酸性的理论方面

Förster循环以图表形式展示了基态与激发态光酸解离过程的热力学平衡关系(图3(a))。该热力学循环将ΔpKa (即激发态pK*a与基态pKa之差)与质子化形式(ROH)和去质子化形式(RO⁻)的电子激发吉布斯自由能差(ΔGexci)相关联，具体关系如方程所示：

$\Delta \text{pKa}=\text{pka}*-\text{pka}=\frac{\text{ΔGexci}\left({\text{RO}}^{-}\right)-\text{ΔGexci}\left(\text{ROH}\right)}{\text{RTln}\left(10\right)}$

其中，R为气体常数，T为温度。从实验角度来看，由于质子化与去质子化形式的吸收谱带存在差异，通常可通过UV/Vis吸收光谱结合pH滴定法方便地测定基态pKa。而激发态pKa*则可通过Förster循环理论予以确定[37] [38]。

光酸的强度，即其激发态pKa*值的大小，直接决定了激发态质子转移(ESPT)过程的动力学行为。通常，pKa*值越低，表明光酸的酸性越强，ESPT过程也越快[15]。对于强超光酸，其ESPT动力学甚至可能受到光酸分子中OH基团与溶剂分子之间氢键取向重排或振动弛豫过程的限制[15]。

从应用角度看，pKa*值的大小决定了哪些质子受体可与光酸匹配。尽管水通常被视为典型的质子受体，如“常规”光酸(如HPTS)只能将质子传递给水，但更强的超光酸则可将质子传递给其他质子性溶剂，甲醇或乙醇[39]。然而，如前所述，由于基态下质子快速再结合与解离的动态平衡，激发态光酸引发的ESPT过程并不会持续改变溶液的整体pH值。因此，若要在光控动态功能系统中有效利用激发态光酸，必须在光酸与质子受体之间构建直接或溶剂介导的定向ESPT路径，从而实现对质子传递过程的可逆调控。

Figure 3. The Förster cycle

图3. 福斯特循环

2. 功能动态系统中的应用

当一个系统处于热力学非平衡状态时，即可被视为动态系统。生命体中存在的复杂非平衡系统，为开发能够执行自组装、运动、信号传递、信息处理等多种功能的人工动态系统提供了灵感[40]-[44]。这类系统的运行需要持续的能量输入以维持其功能。光能是一种可在远程精确投递、不产生废弃副产物的能量形式，并能通过光激发发生化学变化的分子转化为化学刺激。例如，光异构化过程(如偶氮苯)可引发分子几何构型、偶极矩和电子结构的改变，从而影响系统中周围分子并调控相关过程，体系对外界刺激产生响应，即表现出动态特性[45] [46]。

在动态系统中使用激发态光酸的一般原则如下：光酸可通过激发态质子转移(ESPT)机制，实现对pH敏感过程的光控调节，例如酸碱反应、氧化还原过程、光电化学反应或静电相互作用。然而，如前所述，激发态光酸并不会引起溶液整体pH的持续变化，因此需要在光酸与质子受体之间建立直接或由溶剂介导的ESPT路径。

由于任何涉及酸/碱平衡的质子转移(PT)过程均由质子供体与受体之间的ΔpKa决定，因此，从光酸接受质子化学基团，其pKa值应介于光酸的基态pKa与激发态pKa*之间。考虑到常见光酸的pKa范围(图1)，最常选用的目标化学基团是羧酸/羧酸盐体系。此外，超强光酸甚至可向酸性较强的质子受体提供质子。下文我们将对若干动态系统实例进行评述。

2.1. 自组装与结合

首个系统涉及化学基团在质子化后发生的缔合/解离行为。如前所述，羧酸盐可从光酸分子接受质子。因此，任何经羧基化配体修饰的颗粒，由于带有负电荷而相互静电排斥；然而，当溶液中发生从光酸到配体的直接ESPT过程后，羧酸盐转变为羧酸，使颗粒之间可通过氢键结合。相反，光碱可从羧酸中提取质子，导致颗粒在激发后重新分散。在一个已报道的系统中，研究人员交替使用光酸(HPTS)和光碱(6MQ)，分别以405 nm和340 nm光源照射10~20秒，实现了纳米颗粒的可逆自组装(图4(a)) [47]。

其他研究案例包括由光酸通过氢键形成引发的聚合物结合(图4(b)) [48]-[51]。在图4(b)所示系统中，光酸(1-萘酚-4-磺酸盐)被用作纳米组装体的构建单元之一，另一构建单元为聚乙烯亚胺聚碱，其质子化与非质子化的胺基可分别与光酸在基态和激发态下的磺酸根和羟基形成非共价键。

在光酸与聚碱的非质子化胺基之间发生的ESPT过程，可在基态下形成稳定的氢键，导致组装结构无法自发恢复初始状态，即表现出不可逆性。类似地，由光酸与聚阳离子型质子受体(如树枝状聚合物)构成的纳米组装体，在加入常规碱后，也表现出不可逆[48]-[50]或部分可逆[51]的解离行为。在其中一个可逆系统中，含有1N36DS光酸和聚酰胺胺树枝状聚合物的纳米结构，可通过化学刺激产生副产物的方式，可逆地形成不同形状与尺寸的组装体。

Figure 4. Light-induced self-assembly. (a) Dynamic self-assembly of gold nanoparticles with reversible protonated ligands [47]; (b) Construction of supramolecular structures based on light-acid-induced hydrogen-bond networks [48]; (c) Proton insertion triggers the fracture of molybdenum oxide nanosheets and their light-controlled reversible assembly [52]

图4. 光诱导自组装。(a) 带有可逆质子化配体的金纳米颗粒的动态自组装[47]；(b) 基于光酸激发氢键网络的超分子结构构建[48]；(c) 质子嵌入触发钼氧纳米片断裂及其光控可逆组装[52]

另一种基于ESPT实现自组装/结合的方式是通过ESPT诱导的氧化还原过程。例如，在一个含有氧化钼纳米片和HPTS光酸的溶液中，光照(405 nm)引发从光酸到纳米片的ESPT过程，质子嵌入纳米片层间；随后溶液中存在的还原剂引发氧化还原反应，在纳米片的原子阵列中产生氧空位，最终导致其断裂(图4(c)) [52]。光照停止后，纳米片经历氧化愈合过程，即氧空位被重新填充，从而促进其重新结合。

本节所述三种ESPT组装策略各有侧重：(1) 静电屏蔽/氢键策略：可逆性强、响应快，适合动态开关，但环境敏感性高；(2) 直接氢键网络策略：驱动力强、结构稳定，但可逆性差，需额外解离刺激；(3) ESPT诱导氧化还原策略：能改变材料本征性质，热力学可逆，但响应慢、机制复杂。择何种策略，根本上取决于对“动态性”与“稳定性”的权衡。需快速可逆选策略一，需稳固结构选策略二，需调控材料本体性质则选策略三。

2.2. 自驱动运动

若漂浮的微观元件表面存在可质子化的基团，质子转移事件(从/向该基团提供或提取质子)将改变其表面电荷分布，进而影响表面张力。若这种变化在表面分布不均，表面张力对称性的破坏将引发内部对流(即马兰戈尼效应)，从而可能产生推进运动。基于此原理，光酸可被用于实现油滴的自驱动运动：通过光酸与油滴表面羧基化基团之间的ESPT过程(图5(a)~(d)) [26]。

为实现表面张力的非对称性调控，在溶液中存在光酸(HPTS)的条件下，采用LED或激光光源对油滴进行梯度照射。因此，油滴一侧的ESPT过程程度与另一侧不同，从而使其能够向光源方向或背向光源自驱动运动。该油滴自驱动系统还展示了超强光酸的少数应用之一。如前所述，与普通光酸不同，超强光酸能够诱导ESPT过程至酸性较强的质子受体基团，这一现象可通过时间分辨光谱技术(如时间相关单光子计数技术，TCSPC)进行观测。

图5(e)展示了超强光酸QCy9 (质子化形式)弱酸性磺酸型质子受体(SDBS)存在下的荧光衰减动力学曲线，并与相同条件下普通光酸HPTS的衰减行为进行对比。对于QCy9，加入SDBS后因其可发生ESPT过程，荧光衰减更快；而HPTS无法向SDBS转移质子，故其荧光衰减不受SDBS影响。在该系统中，超强光酸QCy9用于质子化油滴表面的SDBS，从而成功实现了自驱动运动[53]。

Figure 5. Self-propulsion of oil droplets. (a) Self-propulsion of oil droplets induced by light-driven proton transfer; (b) Monitoring and data analysis of the motion process; (c) (d) Influence of light intensity on the motion state [26]; (e) Performance comparison between superphotoacids and conventional photoacids in the presence of surfactants [53]

图5. 油滴的自推进。(a) 光驱动质子转移诱发的油滴自推进；(b) 运动过程的监测与数据分析；(c) (d) 光强对运动状态的影响[26]；(e) 超光酸与常规光酸在表面活性剂存在下的性能对比[53]

2.3. 纳米结构器件

截至目前，我们所讨论的主要是可溶性光酸与特定受体之间的ESPT过程。尽管这种方法有效，但其效率较低：仅靠近质子受体的激发光酸分子能够参与介导动态过程，而溶液中绝大多数激发分子未发挥作用。因此，一些研究将光酸的空间位置进行限制以增强效率。下文将讨论纳米结构器件中的限域策略。

在一个使用硅纳米线场效应晶体管(SiNW FET)的示例中，HPTS光酸被固定在SiNW上(图6(a)) [54]。同时，另一个pH响应元件——胃蛋白酶(一种在低pH下活性更高的酶)也被修饰在同一SiNW上，并可通过FET结构实时监测其酶活。在405 nm光照下，光酸向酶附近溶剂分子发生的ESPT过程可有效提升其活性(图6(a))。

以类似思路，HPTS被固定在硅纳米柱上，并与抗体位置接近(图6(b)) [47]。抗体–抗原结合具有pH依赖性，其最强结合通常发生在中性pH附近。因此，通过光触发从光酸到抗体–抗原复合物周围溶剂的ESPT过程，可诱导其解离。在后续研究中，该系统通过构建具有更大表面积的分形纳米柱[55]并用DNA适体进行修饰而得到进一步发展[56]。纳米柱修饰表面的优势之一是其显著增加的结合面积，使得该类器件可用于复杂样品中目标分子的选择性分离和预富集。

最后一个使用纳米材料的例子是“纳米阀”结构：HPTS光酸与一种可结合货物分子(该研究中为碘化丙锭)的小分子共同修饰在纳米阀上[34]。由于该结合行为具有pH依赖性，在408 nm光泵浦(时间尺度为数分钟至数小时)下，HPTS发生ESPT并导致容纳货物的分子发生质子化，进而引起货物从二氧化硅纳米颗粒表面解离(图6(c))。

Figure 6. Nanostructured devices. (a) The schematic representation of HPTS-enzyme-SiNW FET [54]; (b) Schematic representation of the photoacid and antibodies immobilization on the nanopillar surface [47]; (c) Schematic representation of light-activated nanovalve [36]

图6. 纳米结构器件。(a) HPTS-酶-SiNW FET的示意图[54]；(b) 光酸和抗体在纳米柱表面的固定示意图[47]；(c) 光激活纳米阀的示意图[36]

2.4. 催化作用

从应用角度看，光酸在动态反应控制中最具前景的用途之一是(光)催化领域。在此，ESPT过程可作为可逆的光触发质子源(光酸)，参与质子化催化循环。这一概念甚至可扩展至有机合成(图7(a)与图7(b)) [57] [58]。图7(a)展示了一种合理设计的吖啶鎓基苯酚取代有机光酸，用于在蓝光激发下激活合成糖链以生成2-脱氧糖苷。在溶液中不存在其他质子供体/受体分子时，该光酸可在单个催化循环中实现两类反应：一是通过ESPT过程触发初级催化反应，二是在基态复合过程中从另一分子重新获取质子以恢复其初始状态。类似的光酸催化策略也被应用于糖基化、缩醛化和芳基化反应。

Figure 7. Catalytic systems. (a) The stereoselective conversion of glucans to 2-deoxyglycosides and the suggested catalytic cycle [57]; (b) The suggested photocatalytic protonation cycle of 1-phenyl-2-(trimethylsiloxy) cyclohexene upon light excitation (367 nm) of 7-bromo-2-naphthol photoacid and the effect of light on the reaction yield [58]; (c) The working principle of the photochemical CO₂ capture and release and the effect of light on the gas flow (MFM) [59]

图7. 催化系统。(a) 葡聚糖向2-脱氧糖苷的立体选择性转化及建议的催化循环[57]；(b) 1-苯基-2-(三甲基硅氧基)环己烯在光激发(367 nm) 7-溴-2-萘酚光酸下的建议光催化质子化循环及光对反应产率的影响[58]；(c) 光化学CO₂捕集与释放的工作原理及光对气体流量(MFM)的影响[59]

与可持续发展目标紧密相关的一类催化过程是CO₂的捕获与释放。在一个具有代表性的体系中[59]，研究人员设计了一种连续流套管反应系统，系统中装有可高效吸收CO₂的碳酸氢盐溶液以及HPTS光酸。在427 nm波长的光照条件下，HPTS光酸通过激发态质子转移(ESPT)过程将质子传递给碳酸氢根离子，促使后者分解并释放出CO₂气体(图7(c))。而在光反应结束后，系统可通过基态复合过程重新捕获水中的CO₂，使碳酸根离子得以再生，从而实现吸收剂的循环使用。值得强调的是，由于激发态光酸的作用机理本质上不改变溶液整体质子浓度，该过程不会导致体系持续酸化，表现出优异的可逆性和循环稳定性。

3. 总结与展望

尽管激发态光酸在动态调控与光响应材料中展现出独特潜力，其实际应用仍面临一系列共性挑战。这些挑战根植于光酸的作用机制与材料–环境交互过程中，系统性地理解并克服它们，是推动该领域从原理验证走向广泛应用的关键。

3.1. 质子快速复合与能量效率瓶颈

激发态光酸(ESPT)过程的核心限制之一是激发态质子的快速复合，这直接导致其有效作用半径小、能量转换效率低下。如本文所述，质子在释放后若未能被有效捕获或利用，将迅速与去质子化光酸重新结合，使光能转化为无效的热耗散，而非驱动预期的物理或化学变化。因此，应用设计的核心原则是必须将光酸在空间上精确锚定于其质子受体附近。例如，在质子传导膜或硅基表面的固定化策略，通过预组织的纳米级通道或界面，为质子传递创造了定向路径，显著降低了复合概率，从而提升了体系的光响应效率。

3.2. 光化学稳定性与操作波长的限制

目前，许多高性能光酸(如HPTS)普遍存在光漂白速率较快的问题，这严重限制了其在需长期或高强度光照场景下的使用寿命。同时，它们的吸收波段大多集中于紫外或蓝光区域。高能光子不仅对生物样本具有潜在损伤，其在大多数介质中的穿透深度也十分有限，这极大地制约了在生物体内或厚材料体系中的应用。解决这一对孪生挑战的出路在于理性的分子设计。例如，通过对绿色荧光蛋白(GFP)发色团HBDI进行化学修饰，开发出其吸收与发射波长均显著红移的衍生物[60]，这为发展具有更好生物相容性与更深组织穿透能力的近红外光酸指明了方向。

3.3. 从理想化模型到复杂实际环境的跨越

多数光酸的成功演示是在成分单一、pH受控的理想缓冲溶液中完成的。然而，实际应用环境(如细胞质、体液或工业流体)通常成分复杂，存在大量潜在的质子竞争受体或猝灭剂。光酸在此类环境中的活性保持是一个严峻挑战。一个典型案例是超光酸QCy9与常规光酸HPTS在表面活性剂SDBS存在下的对比[53]：QCy9能够质子化SDBS并引发后续组装变化，而HPTS则无法在此环境中有效发挥作用。这凸显了光酸必须与目标微环境相匹配，其激发态pKa需远低于环境中竞争性受体的pKa，才能确保质子传递路径的特异性与有效性。

3.4. 应用场景的pH窗口限制

光酸发挥作用的前提是其基态处于质子化状态。因此，当前大多数基态pKa在7~9之间的光酸，其有效应用环境被限制在pH < 7的酸性至中性条件。这排除了它们在碱性环境中的应用。拓展其pH适用范围的一个关键方向是开发具有高基态pKa (>7)同时仍保持极低激发态pKa (<1)的新型“超光酸”，这使得它们在中性甚至弱碱性环境中也能被激发并释放出强酸性质子。

综上所述，未来的发展将依赖于新型光酸分子的理性设计与应用体系的精巧构筑双轨并进。通过在分子层面调控光物理性质与酸度常数，在系统层面优化光酸的空间定位与质子传递路径，有望逐一突破上述瓶颈，从而在纳米医学、自适应软物质及先进光电子等领域实现更广阔的应用。