基于可解释性主动学习的G-四链体深共晶圆偏振发光材料设计：高不对称因子与量子产率同步实现

《Aggregate》：Interpretable Active Learning for Discovering G-Quadruplex Deep-Eutectic Circularly Polarized Luminescence Materials With High Dissymmetry Factor and Quantum Yield

本文创新性地将主动学习（AL）框架与深共晶溶剂（DES）辅助自组装相结合，成功开发了具有高圆偏振发光（CPL）不对称因子（glum）和光致发光量子产率（PLQY）的G-四链体（G4）超分子凝胶。该工作仅用四次AL迭代即锁定最优合成参数，大幅加速了材料研发，所获凝胶的glum值高达0.29，创下了核苷/核苷酸基CPL材料的纪录。通过结合SHAP可解释性分析，阐明了反应参数与目标性能的内在关联，并基于此构建了多色荧光共振能量转移（FRET）体系，成功制备了一系列多色CPL活性材料，为生物基手性CPL材料的设计与人工智能加速功能材料开发提供了新范式。

　　

引言：实现高性能CPL材料的挑战与策略

圆偏振发光（Circularly Polarized Luminescence, CPL）材料因其独特的手性光学性质，在三维显示、光学防伪和生物成像等领域展现出巨大应用潜力。然而，同时获得高的不对称因子（g_lum）和光致发光量子产率（PLQY）一直是该领域面临的重大挑战。生物分子基CPL材料因其可编程的序列结构和动态构象调控能力而备受关注。g_lum是量化CPL强度的关键参数，定义为2(I_L- I_R)/(I_L+ I_R)，其中I_L和I_R分别为左旋和右旋CPL的发射强度。PLQY则衡量激发态分子发射光子的效率。通常，这两个参数存在竞争关系，高g_lum常与小的电偶极矩（|μ|）相关，而高PLQY则通常需要大的|μ|。为了综合评价CPL性能，引入了品质因子（Figure of Merit, FM），定义为FM = |g_lum| × PLQY。

在众多CPL材料体系中，基于鸟苷及其衍生物（如鸟苷-5'-单磷酸，GMP）的自组装体系因其可形成由G-四链体（G-quadruplex, G4）结构稳定的超分子水凝胶而备受关注。G4结构由通过Hoogsteen氢键连接的四分子鸟嘌呤（G-四分体）堆叠而成。然而，G4凝胶的制备与应用多局限于水相，限制了其发展。深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）作为一种由氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）组成、可高度调控的介质，为手性自组装提供了新平台。它具备易制备、低挥发性、高热稳定性、良好生物相容性及环境友好等优点。

面对CPL超分子组装体系的多因素复杂影响，系统研究关键反应参数如何影响g_lum和FM至关重要。近年来，人工智能，特别是机器学习（Machine Learning, ML），已成为材料科学的新范式。其中，主动学习（Active Learning, AL）策略因其能在有限的实验空间中高效识别最优材料组成、构建高精度预测模型、显著降低实验成本和缩短开发周期而备受关注。结合基于博弈论的SHAP（SHapley Additive exPlanations）可解释性方法，更能深入揭示“黑箱”模型内部的构效关系。

溶剂筛选：构筑最优组装环境

研究发现，溶剂环境对G4超分子的组装行为有显著影响。比较不同DES体系（如以乙二醇EG、甘油GL、1,3-丙二醇PG、D-山梨醇D-Sor为HBD，与氯化胆碱ChCl组合）对G4-DES凝胶性能的影响后发现，g_lum值随着HBD中羟基数量的增加和羟烷基链长度的增加而显著提高。其中，含有更多羟基和更长碳链的D-Sor能形成更广泛的氢键网络，赋予体系更高的粘度和密度，从而在宏观上产生更强的内聚作用。因此，最终选择D-Sor作为HBD，ChCl作为HBA构建最优DES体系。进一步研究发现，使用纯DES作为反应溶剂，完全去除传统三元溶剂（乙醇:DES:水）中的水和乙醇组分，能显著提升g_lum值。

主动学习：智能导航材料研发

研究建立了一个系统的AL工作流程。初始数据集由20个实验数据点构成。AL的搜索空间参数网格包括：反应温度130-150°C（步长5°C）、GMP浓度350-450 mM（步长5 mM）、反应时间4-6小时（步长0.25小时）、DES体积2-5 mL（步长0.2 mL），共计15,120个候选点。在每次自适应迭代中，基于预期提升（EI）、改进概率（POI）、预测熵搜索（PES）和上置信界（UCB）四种策略，从候选池中各推荐一个配方进行实验，每次迭代增加4个新数据点。

在以g_lum为优化目标的迭代中，第一次迭代POI策略推荐的样品g_lum值即达0.2639，显著超过初始数据集的平均水平。第三次迭代，POI再次推荐出g_lum高达0.27的样品。第四次迭代后，AL过程达到收敛阶段。在以FM为优化目标的迭代中，第二次迭代POI推荐的样品实现了最高的FM值（2.51 × 10^-2）。经过四轮迭代，AL成功锁定了分别具有最高g_lum和最高FM的两个最优样品配方。与传统的试错法相比，实际实验时间缩短了3-5倍，凸显了该策略的高效性。

SHAP可解释性分析：揭示参数内在影响

利用SHAP分析量化了各特征对预测结果的贡献。对于FM，反应温度的影响最为显著，其次是DES体积、反应时间和GMP浓度。反应温度在极端高（150°C）和低（130°C）时对FM产生负向影响，中间温度最为有利。较高的DES体积和较长的反应时间则能促进反应，利于提升FM。对于g_lum，反应温度同样影响最大，DES体积和反应时间影响相当，GMP浓度影响最小。具体而言，140-145°C的反应温度、较高的DES体积和较长的反应时间最有利于提升g_lum。这些分析结果与实验观察高度吻合，证明了AL模型的普适性。

G4-DES凝胶的表征：卓越的CPL性能

对筛选出的最高g_lum样品和最高FM样品进行了系统表征。两者具有相似的荧光激发/发射峰（~356 nm/~447 nm）。最高g_lum样品的PLQY为2.89%，而最高FM样品的PLQY高达10.64%。

圆二色（CD）光谱在240 nm附近显示负峰，在260 nm附近显示正峰，呈现出平行G4结构典型的正Cotton效应。两者均显示出显著的左旋CPL信号。在室温下，最高g_lum样品的g_lum值为0.27，最高FM样品为0.23。通过旋转样品测试，排除了线性二向色性（LD）伪影的干扰。研究还发现了凝胶的温度响应行为：在低温（-20°C）下，g_lum值略微增加至0.29；当温度超过40°C时，g_lum值显著下降，并伴有发射光谱蓝移。温度依赖的CD光谱进一步证实了此趋势：加热时CD信号强度显著降低，但G4结构保持稳定。

通过系统比较已报道的核苷/核苷酸基生物材料的CPL性能参数，本工作开发的材料在此类材料中达到了最高的g_lum值，较课题组之前报道的结果提升了近2-4倍，充分展示了G4-DES凝胶体系在CPL材料领域的巨大潜力。

结构与形貌分析：性能的微观起源

X射线衍射（XRD）图谱显示，G4-DES凝胶在28°附近存在尖锐峰，对应G-四分体的特征峰，表明层间距约为0.33 nm。21°附近的宽峰对应于无定形碳的（002）晶面衍射。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步证实了G-四链体结构中氢键（O-H, N-H）、碳氢键（C-H）、羰基（C=O）及磷酸基团（P=O）等特征官能团的存在。

X射线光电子能谱（XPS）分析表明，样品主要由C、N、O元素组成，并含有Na、Cl、P。C 1s谱可分解为C-C/C=C、C-O/C-N和C=O峰。最高g_lum凝胶具有更高的碳含量和C-C/C=C比例（65.64%），氧化程度较低（C=O比例6.32%）。而最高FM凝胶的C-C/C=C比例较低（17.44%），但具有更高的氧化特性和C=O比例（21.52%），这可能是其更高PLQY的结构成因。N 1s谱中检测到ChCl中季铵氮（-N(CH₃)₃⁺）的特征峰，直接证明了DES被有效包封在材料基质中。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，两个样品均具有由螺旋纤维组成的相似微观结构。比较优化前后的凝胶发现，AL优化后凝胶的纤维螺距约为150 nm，显著大于优化前的70-80 nm。研究表明，具有更大螺距的螺旋纤维可有效增强材料的g_lum，这从微观结构上解释了性能提升的原因。

G4-DES凝胶的应用：构建多色CPL活性材料

为了验证G4-DES作为优异CPL模板的潜力，研究将其与多种染料复合，开发了多色CPL活性材料。通过比较G4-DES的发射峰与染料（中性蓝12 NiB、罗丹明6G 6G、罗丹明B RhB、磺基罗丹明101 SR101）的激发峰，评估了光谱重叠面积。除NiB因光谱重叠极小未能发生有效能量转移外，其余三种染料均成功与G4-DES形成了G4-DES-染料凝胶复合材料。

这些复合材料在日光下呈棕色、深红和褐色，在365 nm紫外光下分别发射黄绿色、粉红色和红色荧光。荧光光谱分析确认了成功的多色FRET，发射峰分别位于563、593和630 nm。CD光谱证实复合后仍保留了G4平行结构的特征，表明染料的掺入未破坏原有的螺旋手性。通过优化染料比例，进一步提升了g_lum值。优化后的G4-DES-染料凝胶表现出出色的CPL性能，g_lum值达到约0.1，比先前报道的同类体系高出一个数量级。

荧光寿命测量用于推导FRET效率（Φ_+ET）。随着RhB和SR101添加量的增加，供体寿命逐渐缩短，Φ_+ET相应提高，最高分别达到19.79%和20.71%，符合FRET机制预期。而6G则因过量浓度下可能发生聚集，Φ_+ET最高仅为9.59%。这些结果共同证明了G4-DES体系在构建多色高性能CPL材料方面的广泛潜力。

结论与展望

本工作通过集成AL工作流，制备了具有高g_lum和高PLQY的G4-DES凝胶。最优凝胶的g_lum达到0.29，为核苷/核苷酸基CPL材料设立了新标杆。通过以FM为关键指标进行优化，开发出了性能超越以往体系的高性能核酸基功能材料，最高PLQY达10.64%，为未来CPL活性材料的设计提供了优秀原型。AL策略仅用四次迭代即确定了最优合成参数，显著提升了材料研发效率。此外，通过将多种染料与G4-DES复合构建FRET体系，成功实现了多色CPL活性材料的制备。

尽管当前AL辅助合成CPL材料已取得满意成果，但仍有优化空间。目前工作主要集中于外部合成参数的优化。未来，通过引入溶剂分子性质等本征因素，并建立其与g_lum、PLQY等核心CPL参数更直接的关联，有望构建一个更具普适性和预测性的优化框架。本研究不仅展示了G4-DES体系在构建多色CPL材料方面的潜力，也代表了人工智能技术在CPL功能材料开发中的又一次突破。