长春光机所极紫外光源，极紫外光源技术核心

来源:DeepTech深度科技

“我们正与中国科大微纳研究制造中心和上海光源软X射线干涉光刻站合作，基于触发解聚精密聚合物的平台技术，开发用于极紫外应用的高性能光刻胶材料。目前进展顺利，最近提交了两项专利申请。”中国科技大学教授刘说。

(来源:Angewandte Chemie)

一种对紫外线有反应的聚合物。

据报道，合成序列可控的精密聚合物被认为是高分子科学的下一个“圣杯”。由于过去十年的发展，已经制造出具有各种结构和序列的精确聚合物。

序列测定是精密聚合物领域的核心问题之一。目前，基于串联质谱的测序方法是最常见的测序方法。

原理相对简单:电离的聚合物链在真空下加速飞行，与惰性气体(如氮气)碰撞使分子链断裂，产生一系列聚合物碎片。

然后，这些碎片的中间体可以被质谱检测器检测到，产生二级质谱。通过分析二级质谱可以获得聚合物的序列信息。

然而，这种测序方法也面临以下挑战:

第一，在串联质谱条件下，高分子链会随机断裂，导致很多信号峰无法归属；

其次，聚合物每次断裂都会产生两个互补的片段，使得二次质谱非常复杂。

为了避免这些问题，刘和他的团队设想，如果受到外界刺激，聚合物可以自发解聚。那么，利用一级质谱捕获降解中间体也可以达到测序的目的。

基于课题组之前的积累，他们将本次研究的目标定为:实现精确的自降解聚合物的合成和测序。

经过不断的筛选和优化，他们最终在加热条件下将苯酰叠氮原位转化为苯基异氰酸酯，并高效地将其与羟基进行偶联，作为碱性反应。

利用模块化和迭代合成策略，该团队获得了一系列编码的两亲聚合物，它们可以对紫外光做出响应。

当他们通过串联质谱表征编码的两亲聚合物时，他们意外地获得了异常干净的串联质谱。

此外，聚合物序列可以通过两个相邻质谱峰之间的质荷比的差异直接读取。

同时，他们注意到这是一个以前从未报道过的新现象。后来课题组发现，这种现象是由以下两个因素造成的:

首先，两亲聚合物中编码的亲水性树枝状聚乙二醇具有特异识别钠离子等碱金属离子的能力，因此可以带来分子链水平的预组装。

这意味着带电离子会特异性地锚定在聚合物链的树枝状聚乙二醇的一端，它充当了一个带动力的火车头，拉动聚合物链加速其在高压电场中的“飞行”。

当“飞行”的聚合物链与惰性气体碰撞时，它会随机断裂，这类似于行驶中的火车随机断开车厢。此时，只有与机车相连的车厢才能继续运行。

因此，只有含有树枝状聚乙二醇的片段才能继续“飞行”并被探测器成功探测到。但由于失去动力源，其互补碎片无法继续“飞行”，将被完全屏蔽。

这样在串联质谱中只显示单端片段信号峰，其谱图会大大简化，从而大大提高测序效率。

其次，由于主链中氨基甲酸苄酯键的选择性断裂，随机断裂造成的干扰将被屏蔽，从而大大简化碎片峰的归属。

该编码基两亲聚合物除了具有串联质谱直读的特性外，还具有紫外光引发后自降解的特性。

在此基础上，他们完成了一级质谱对聚合物序列的测定，从而实现了项目的初步目标。

此外，他们还发现，对两亲性聚合物进行编码后，可以通过自组装得到纳米颗粒，这些纳米颗粒的形貌受到序列的严格控制。

通过调整聚合物的长度和序列，可以得到一系列更加精确的纳米颗粒，分别为球形和棒状，研究小组将其命名为数字胶束。

随后，它们与核酸、蛋白质等生物大分子缔合，这些生物大分子具有精确的化学结构和序列结构，分子量单一，会直接影响分子内和分子间的相互作用，使其形成特定的高级结构。

受生物大分子的启发，该团队以N-萘基氨基甲酸酯和N-氟苯基氨基甲酸酯为骨架，合成了可自降解的低聚聚氨酯。

这种可自降解的低聚聚氨酯分子量单一，具有两亲性和引发性的特点。

借助自降解低聚聚氨酯，他们研究了电子结构对降解速率的影响、萘环的π-π相互作用、氟苯独特的氢键以及建筑元素对协同自组装的影响。

结果表明，在紫外光引发下，自降解聚氨酯在30分钟内可完全降解。

与以N-苯基氨基甲酸酯为骨架的单分子量两亲性低聚聚氨酯相比，自降解低聚聚氨酯的降解速率遥遥领先。

随后，研究组研究了自降解齐聚物在水溶液中的自组装行为，发现它们的聚合度和主链结构共同决定了自组装行为和最终的组装形态。

自组装超分子组件包含平坦的纳米片、纳米纤维和纳米带。

有趣的是，热退火后，这些超分子组装体的组装形态会进一步发生变化。

为此，该团队使用冷冻透射电子显微镜和X射线小角散射来表征这些纳米颗粒的组装形态。发现该序列可以严格控制纳米粒子的组装形态，从而可以构建精确的数字传递载体，即“数字胶束”。

然后，研究组探索了复杂生物体系中数字胶束的高通量非标记量化的特点，利用基质辅助激光解吸电离成像技术表征了不同数字胶束在器官切片上的空间分布。

同时，他们还研究了不同数字胶束对人脾脏中不同免疫细胞的清除作用。

为了拓展数字纳米粒子的概念，他们进一步合成了自降解聚氨酯，并研究了其降解特性和自组装行为。

其中，串联质谱的直读测序完全来自一次意外。在这项研究中，刘的团队将样本送到苏州大学教授张那里进行表征。

在一项测试中，他们将编码两亲聚合物的样品邮寄给张的团队，并请后者帮助进行基质辅助激光解吸电离分析。

在传回的数据中，刘的团队惊讶地发现，串联质谱是一系列非常有规律的质谱峰。

因此，他们随机分配每个信号峰，发现只能检测到单端片段。此外，主链断裂位点也在同一种化学键上。

对此，刘说:“科学的进步往往是基于意想不到的发现。许多伟大的科学发现都是因为科学家在研究一个具体问题时，偶然发现了与他们的预期不符的现象。”

他举例说，美国化学家Roy J. Plunkett在研究制冷剂时，偶然合成了聚四氟乙烯。

“因此，研究人员应该对一些意外发现保持敏感和灵活，应该能够及时意识到意外观察的重要性，并将其转化为新的研究方向和应用。”刘对说:

(来源:Angewandte Chemie)

将合成更多可自降解的低聚聚氨酯分子。

如前所述，本次开发的自降解低聚聚氨酯在电子束/极紫外光致抗蚀剂和蛋白质冠-蛋白质组学方面具有潜在的应用。

基于此，研究组还将使用含手性碳的树枝状聚乙二醇代替常规的树枝状聚乙二醇，研究细胞内不同手性的分子组装成的纳米颗粒的选择差异。

预计这将有助于理解复杂生物系统中纳米粒子的跨膜行为，优化药物传递系统的分子结构设计。

此外，他们将充分发挥自降解聚氨酯在二次质谱测序中的优势，用于信息的加密打印和安全存储。

比如四种分子量相同但序列不同的数字聚合物，可以混合成C、M、Y、k四种颜料，四种颜料随机混合，就会产生16种颜料，可能对应十六进制的16个字符。

这时候就可以把需要加密的文字翻译成十六进制，然后对应不同的混合颜料，打印成特定的图案和文字，从而实现信息的加密。

解密时，可以通过二次质谱读取序列信息，并根据预先约定的编码规则进行解密。

这种加密方法的特点是不可逆转，因为如果根据混合物二级质谱的断裂路径逆向推导，分子结构有多种可能性。

此外，他们还将通过树脂机器自动化的方式，积极推动合成更多可自降解的低聚聚氨酯分子，以取代现有的合成方法。

参考文献:1。徐军，吕，石，张，王，张，...&;刘，S. (2023)。具有级联自燃烧基序的离散两亲性聚氨酯寡聚物的可控自组装。Angewandte Chemie，e202306119。