對如何將自然分子轉化為有用工具的好奇促使科學家們開發出由其製成的新型“智能”材料 金雞納 生物鹼——一類植物化合物，曾被重視用於治療瘧疾和心髒病。這些微小材料的行為幾乎就像化學計算機一樣，通過發光或改變顏色來檢測某些物質的存在。
該研究由馬耳他大學的 Nicola’ Agius 和 David Magri 教授以及拉夫堡大學的 Catherine Ashton 和 Helen Willcock 博士進行。他們的作品發表在雜誌上 RSC 進展展示瞭如何將受大自然啟發的分子重新設計成能夠檢測對人類健康至關重要的礦物質的智能材料。
馬格里教授表示，該團隊“展示了基於天然產物的熒光聚合物作為可持續智能材料”，強調了他們的目標是創造有效且對環境負責的傳感技術。
馬格利特教授的團隊洗牌 金雞納 生物鹼——奎尼丁、奎寧、辛可寧和辛可尼定——與水相容的化學丙烯酰胺一起創造出四種新的聚合物。每一種聚合物都小得難以想像，比人的頭髮細數千倍，但它在紫外線下發出鮮豔的藍色光芒，紫外線是一種不可見的輻射，使熒光物質對人類可見。這種亮度表明，即使在編織成長聚合物鏈（一種通過將許多小分子按順序連接在一起而構建的結構）之後，生物鹼的自然亮度也得以保留。
在實驗室測試中，聚合物的表現就像小型邏輯電路。它們在酸性條件下發光，但當添加氯化物、溴化物或碘化物等鹽時，它們會變暗。當酸和碘化物同時存在於水中時，材料從無色變為黃色，有效地執行“AND”運算——這是一個借用微積分的邏輯術語，意味著必須滿足兩個條件才能產生結果。這種明顯的轉變使得檢測碘酸鹽就像觀察變色液體一樣簡單。
馬格里教授解釋說，碘化物是人體健康必需的礦物質，有助於預防甲狀腺相關疾病，例如甲狀腺腫。他說：“政府衛生部門可能會發現這項技術有助於確保食品和飲料製造商遵守飲用水和食品中碘含量的嚴格準則。”
研究小組發現，顏色的變化來自一種微妙的電吸引力，稱為π-陰離子相互作用。簡單來說，它是帶負電的碘離子和聚合物內帶正電的區域之間的微弱但顯著的吸引力。這種溫和的拉力改變了電子在大分子內部移動的方式，導致它以不同的方式吸收和反射光——我們的眼睛看到的是黃色。
有趣的是 金雞納事實證明，基礎聚合物比其更簡單的單分子版本更具響應性。他們甚至很快就發現了少量的碘化物。這是因為聚合物的帶電環境增強了這些微妙的電效應，使化學反應被放大並且更容易觀察。
同樣重要的是，研究人員證實奎尼丁和奎寧聚合物的發光與原始天然分子的發光一樣強烈。換句話說，將它們變成聚合物並不會減弱它們的光澤。奎寧獨特的藍色熒光（長期以來被用作光化學中測量光發射的參考）在這些新材料中仍然像在自然界中一樣明亮。
除了實驗室之外，這項工作還指出了一個更廣泛的想法：化學可以用來模仿計算機的決策邏輯。這個概念被稱為分子邏輯，它使用光或顏色的變化來表示結果，就像數字電子產品使用 1 和 0 一樣。通過將酸度或鹽濃度等簡單的化學輸入轉換為可見的顏色輸出，這些智能材料可以構成未來用於醫學測試、環境監測甚至分子級計算系統的傳感器的基礎。
展望未來，馬格里和他的團隊希望加深對這些分子相互作用如何產生如此獨特的視覺效果的理解。他們還計劃採用相同的方法來檢測其他對生物或環境重要的離子。研究人員解釋說：“正在進行研究，以更好地理解這種超分子相互作用。”指的是分子如何在不形成直接化學鍵的情況下組織和交流。他們正在進行的工作反映了化學領域不斷發展的向智能、可持續材料發展的趨勢，這些材料向自然學習，但又滿足現代需求。
期刊參考文獻
阿吉烏斯，尼古拉’；阿什頓，凱瑟琳·J.；威爾科克，海倫；和 Magri，David C.“金雞納生物鹼共聚物作為熒光抑制和比色 AND 邏輯門用於碘化物檢測。” RSC 進展，2025 年。 DOI： https://doi.org/10.1039/d5ra01281c
關於作者
尼古拉斯·阿吉烏斯 在 David C. Magri 教授的指導下完成了大學學業並獲得了化學碩士學位，研究基於天然產物的熒光聚合邏輯門。她曾在特瑞堡密封解決方案和智能材料有限公司（一家拉脹泡沫初創公司）實習，積累了行業經驗。她作為實習生加入卡爾維諾集團，研究響應聚合物網絡作為雙刺激可逆智能材料。她的學術成就包括院長傑出碩士獎、Medicam 有機化學獎和 Torrent 分析化學獎。尼古拉正在馬耳他大學攻讀超材料博士學位，開發形狀變形聚合物。
凱茜·阿什頓博士 是蘭卡斯特大學蘭卡斯特環境中心的高級生化研究技術員。她在蘭卡斯特大學獲得化學碩士學位，在拉夫堡大學獲得化學和材料工程博士學位。她的博士學位專注於大分子 MRI 和光學成像劑的開發。轉行後，Caty 現在從事生物化學工作，分析對光合作用機制至關重要的蛋白質和酶，以幫助提高豌豆和大豆作物的生產力和氣候適應能力。
海倫·威爾科克 是拉夫堡大學材料學高級講師，領導一個多元化、多學科的小組，專注於通過調整結構和功能來控制聚合物性能。海倫的研究重點是聚合物顆粒和納米複合材料的開發，特別是傳感和成像應用。她擁有豐富的工業界合作經驗，是 2018 年榮獲 RSC 產學合作獎的團隊成員。她是英國 Macro Group – 英國皇家化學學會 (RSC) 和化學工業學會 (SCI) 純與應用化學小組的主席。
大衛·馬格里 是馬耳他大學的教授，領導一個研究團隊開發基於邏輯的智能分子和材料。他在加拿大安大略省倫敦西部大學獲得榮譽學士（四年）和博士學位，並在北愛爾蘭貝爾法斯特女王大學跟隨 AP de Silva 教授擔任博士後研究員。在加拿大愛德華王子島大學、安大略技術大學和阿卡迪亞大學任教四年後，他前往位於地中海的馬耳他共和國群島。 他兩次獲得馬耳他科學創新獎。 8點th 2025 年 10 月在中國上海舉行的國際分子傳感器和分子邏輯門會議上，他獲得了 Czarnik 新興研究者獎。
