上海有機所《自然·通訊》：實現卟啉二維可控異質組裝用于定向能量傳遞和電荷分離

中國科學院上海有機化學研究所 與中國科學院理化技術研究所和復旦大學合作，在人工光合組裝體研究中取得重要進展。研究人員成功構建了一類新型納米片層狀卟啉組裝體，首次實現了卟啉小分子在水相中的二維可控嵌段型異質組裝體結構的構筑，并系統地研究了其激子傳遞和電荷分離特性。該成果以"Controlled assembly of two-dimensional porphyrin heterostructures toward directed energy transfer and charge separation"為題，于2026年6月19日長文（Article）形式在線發表于《Nature Communications》雜志。

光合生物演化形成的光捕獲系統中，色素的精準排列是實現高能量轉移效率的前提。綠小體作為一類較為簡單的光捕獲天線，由細菌葉綠素分子在沒有蛋白質支架輔助的情況下自組裝成高度有序的陣列構成。受這一精巧結構啟發，田佳研究員團隊報告了一項突破性進展，即構建了三嵌段卟啉兩親分子在水中的二維組裝體，該體系利用外延生長策略構筑可控異質結構，首次實現了對可控二維卟啉組裝體調控能量漏斗效應及電荷分離激發態的直接觀測和機制解析（圖1）。

圖1. 二維可控卟啉基組裝體構筑及其外延生長過程示意圖。

二維可控卟啉陣列具有與天然結構的相似性，如何在水相中實現其可控異質組裝、同時完成序列性能量傳遞并解析激發態躍遷機理，是該領域的挑戰。針對這一問題，本研究的關鍵突破在于成功構建了首個卟啉二維可控異質組裝平臺。我們設計了一類陽離子型兩親性鋅卟啉，整合了π-π作用、氫鍵以及疏水作用單元協同組裝以形成二維形貌，提出了其錯位雙分子層的組裝模型和介穩態中間體介導的組裝機制。研究發現，種子生長/外延生長方法不僅可以制備尺寸可控的二維鋅卟啉組裝體，還可以構建具有供受體分區的鋅鈷卟啉嵌段異質結構，該異質結構顯示出具有空間分布的平均熒光壽命，證實了其內外側鋅鈷卟啉的空間分布（圖2）。熒光淬滅和飛秒-瞬態吸收（fs-TAS）實驗結果表明，得益于兩者的供受體耦合，二維嵌段異質結構中的激子遷移速率（k1）較未加入鈷卟啉受體時（k1’）提升了最高2.5倍，并驅動了電荷分離態的形成（圖2）。此外，激發態衰減速率與納米片層的面積具有協同關系，這與天然天線系統相仿。

圖2. 二維可控異質卟啉基組裝體的表征及能量傳遞和電荷分離機制。

綜上所述，該研究建立了一種路徑調控策略，構建了可控的二維卟啉組裝平臺，為先進人工光合作用系統的性能調控奠定了基礎。

以上工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院、上海市科委、上海有機所以及金屬有機全國重點實驗室的大力資助和支持。

上海有機所田佳研究員及團隊長期致力于模擬天然光合系統構筑高效人工光合體系，于2023年報道了首例仿紫色光合細菌色素體構筑的有機超分子人工光合組裝體用于水相常溫高效CO2還原制CH4（Nat. Catal. 2023, 6, 464–475）；并于2024年報道了模擬藻膽體構建水相人工光合組裝體用于光催化產H2(Angew. Chem. In. Ed. 2024, 63, e202315599)；于2025年報道了仿羧酶體人工光合系統組裝級聯多酶協同催化CO2還原至甲醇（Angew. Chem. In. Ed. 2025, 64, e202516599）；于2026年報道了LH2與LH1–RC超級復合物結構模擬及水相高效光催化制氫（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 8437?8446）和仿綠小體含氟納米帶高效光催化制氫（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 11127?11137）。團隊受邀撰寫相關綜述，總結光合細菌啟發的人工光合系統模擬綠小體、色素體和藻膽體等光合系統的進展（ChemCatChem 2024, 16, e202401365）；光合紫菌環狀光捕獲陣列和反應中心的構筑策略及LH1-RC復合物的模擬進展（Artif. Photosynth. 2025, 1, 293）；以及自然和人工系統的光合反應路徑（Sci. China Chem. 2024, 68, 2820）。課題組長期招收博士生和博士后（年齡<35周歲），有意者請聯系田老師(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。