浙江
中国科学院上海有机化学研究所 与中国科学院理化技术研究所和复旦大学合作，在人工光合组装体研究中取得重要进展。研究人员成功构建了一类新型纳米片层状卟啉组装体，首次实现了卟啉小分子在水相中的二维可控嵌段型异质组装体结构的构筑，并系统地研究了其激子传递和电荷分离特性。该成果以"Controlled assembly of two-dimensional porphyrin heterostructures toward directed energy transfer and charge separation"为题，于2026年6月19日长文（Article）形式在线发表于《Nature Communications》杂志。
光合生物演化形成的光捕获系统中，色素的精准排列是实现高能量转移效率的前提。绿小体作为一类较为简单的光捕获天线，由细菌叶绿素分子在没有蛋白质支架辅助的情况下自组装成高度有序的阵列构成。受这一精巧结构启发，田佳研究员团队报告了一项突破性进展，即构建了三嵌段卟啉两亲分子在水中的二维组装体，该体系利用外延生长策略构筑可控异质结构，首次实现了对可控二维卟啉组装体调控能量漏斗效应及电荷分离激发态的直接观测和机制解析（图1）。
图1. 二维可控卟啉基组装体构筑及其外延生长过程示意图。
二维可控卟啉阵列具有与天然结构的相似性，如何在水相中实现其可控异质组装、同时完成序列性能量传递并解析激发态跃迁机理，是该领域的挑战。针对这一问题，本研究的关键突破在于成功构建了首个卟啉二维可控异质组装平台。我们设计了一类阳离子型两亲性锌卟啉，整合了π-π作用、氢键以及疏水作用单元协同组装以形成二维形貌，提出了其错位双分子层的组装模型和介稳态中间体介导的组装机制。研究发现，种子生长/外延生长方法不仅可以制备尺寸可控的二维锌卟啉组装体，还可以构建具有供受体分区的锌钴卟啉嵌段异质结构，该异质结构显示出具有空间分布的平均荧光寿命，证实了其内外侧锌钴卟啉的空间分布（图2）。荧光淬灭和飞秒-瞬态吸收（fs-TAS）实验结果表明，得益于两者的供受体耦合，二维嵌段异质结构中的激子迁移速率（k1）较未加入钴卟啉受体时（k1’）提升了最高2.5倍，并驱动了电荷分离态的形成（图2）。此外，激发态衰减速率与纳米片层的面积具有协同关系，这与天然天线系统相仿。
图2. 二维可控异质卟啉基组装体的表征及能量传递和电荷分离机制。
综上所述，该研究建立了一种路径调控策略，构建了可控的二维卟啉组装平台，为先进人工光合作用系统的性能调控奠定了基础。
以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委、上海有机所以及金属有机全国重点实验室的大力资助和支持。
上海有机所田佳研究员及团队长期致力于模拟天然光合系统构筑高效人工光合体系，于2023年报道了首例仿紫色光合细菌色素体构筑的有机超分子人工光合组装体用于水相常温高效CO2还原制CH4（Nat. Catal. 2023, 6, 464–475）；并于2024年报道了模拟藻胆体构建水相人工光合组装体用于光催化产H2(Angew. Chem. In. Ed. 2024, 63, e202315599)；于2025年报道了仿羧酶体人工光合系统组装级联多酶协同催化CO2还原至甲醇（Angew. Chem. In. Ed. 2025, 64, e202516599）；于2026年报道了LH2与LH1–RC超级复合物结构模拟及水相高效光催化制氢（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 8437−8446）和仿绿小体含氟纳米带高效光催化制氢（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 11127−11137）。团队受邀撰写相关综述，总结光合细菌启发的人工光合系统模拟绿小体、色素体和藻胆体等光合系统的进展（ChemCatChem 2024, 16, e202401365）；光合紫菌环状光捕获阵列和反应中心的构筑策略及LH1-RC复合物的模拟进展（Artif. Photosynth. 2025, 1, 293）；以及自然和人工系统的光合反应路径（Sci. China Chem. 2024, 68, 2820）。课题组长期招收博士生和博士后（年龄<35周岁），有意者请联系田老师(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。
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