基于核屏蔽逐步调控的小型氟化芳香族分子射频识别标签研究

主要作者与发表信息

该研究由厦门大学化学化工学院的高锦豪（Jinhao Gao）教授和林泓域（Hongyu Lin）副教授团队完成，论文于2025年5月26日在线发表于*Angewandte Chemie International Edition*期刊。这项原创性研究提出了一种基于氟-19核磁共振（¹⁹F NMR）的分子编码策略，成功构建了以氟化芳香族小分子为基础的信息存储与识别平台。

学术背景与研究目标

在物联网（Internet of Things, IoT）蓬勃发展的背景下，射频识别（Radiofrequency Identification, RFID）技术作为无线通信的关键支撑，对标签的小型化、高容量和高安全性提出了日益迫切的需求。分子编码（molecular encoding）技术作为下一代信息存储介质的重要候选，因其在分子尺度实现信息存储的能力而受到广泛关注。然而，现有分子编码策略如DNA编码存在序列保真度问题，荧光编码和质谱编码在信息检索方面面临挑战。

核磁共振编码（NMR encoding）作为一种新兴的分子编码策略，具有非接触式、非破坏性读取的优势，且射频电磁波的强穿透能力使其能够访问嵌入信息。¹⁹F核因其旋磁比高、天然丰度100%以及化学位移范围宽（超过350 ppm）等显著优势，成为理想的信息载体。然而，以往的研究通过镧系离子的顺磁效应调控¹⁹F化学位移，面临存储容量有限和合成过程复杂等瓶颈。该研究的核心目标是建立一种基于核屏蔽调控的通用分子设计策略，系统性地构建具有可区分¹⁹F化学位移的编码单元库，以实现高容量、易操作、高安全性的分子RFID标签。

详细研究方法与工作流程

该研究的工作流程可分为四个核心步骤：编码平台的构建、二进制编码的实现、四进制编码的拓展以及信息安全功能的开发。

第一，在FARSEER平台（Fluorinated Aromatics-Empowered Encoding and Reading）构建阶段，研究团队开发了一种分步调控策略来精确操纵¹⁹F化学位移。研究人员首先以间氟乙酰苯胺作为母体分子，观察到邻位和对位取代对¹⁹F化学位移的影响远大于间位取代。基于这一发现，他们采用“粗调（coarse tuning）”策略，通过在芳环的邻位和对位引入具有不同电子效应的取代基，将¹⁹F化学位移范围从-112 ppm扩展至-100到-135 ppm的更宽范围，合成了18种氟化芳香族化合物。随后，采用“微调（fine tuning）”策略，通过将氨基（位于氟基团的间位）与单氯乙酰基、二氯乙酰基和三氯乙酰基等吸电子基团进行N-酰化反应，使每个粗调产物的化学位移进一步在约1.5 ppm范围内精细分化，从而通过倍乘效应生成72个潜在编码单元。经过峰展宽和重叠筛选，最终选取64个具有清晰可区分¹⁹F化学位移的氟化芳烃作为概念验证编码库。这些编码单元均可通过简单的一步酰化反应从商业可得原料制备，展现了该平台的高效可扩展性。

第二，在二进制farcode实现阶段，研究团队建立了完整的编码-解码规则体系。该体系以二甲基亚砜作为溶剂，以六氟苯和1,3,5-三溴-2,4,6-三氟苯作为内标。编码地址（coding addresses）对应于64个编码单元的¹⁹F化学位移位置，而编码（codes）则根据各地址是否出现信号峰指定为“1”或“0”。研究人员制备了包含全部64种氟化芳烃的参考溶液，其¹⁹F NMR谱作为全“1”编码的参考谱图。通过将待解码farcode的谱图与参考谱图叠加对比，即可实现信息的快速读取。研究人员成功制备并解码了30个二进制farcode，存储的信息按ASCII码转换为英文字符。系统的鲁棒性评估显示，混合物组分变化引起的编码地址偏移小于0.05 ppm，在不同谱仪（400 MHz和600 MHz）和不同脉冲序列（F19和F19CPD）间均表现出良好的读取准确性，且4°C长期储存稳定性良好。

第三，在四进制farcode（q-farcode）拓展阶段，研究通过引入浓度维度作为附加编码维度，将编码状态从二进制的“有/无”扩展为“0、1、2、3”四个状态，对应编码单元浓度分别为0、1、2、3 mM。采用定量核磁共振（quantitative NMR, qNMR）技术，所有编码单元均达到超过99%的激发效率和纵向弛豫恢复率，确保了定量分析的准确性。研究人员制备了三个分别对应全“1”、全“2”、全“3”状态的参考q-farcode，并成功实现了两个代表性q-farcode的编码与解码，分别通过ASCII码和GB18030编码规则存储了“Xiamen University”和“厦门大学核磁共振”等中文信息，实现128位信息存储容量（较二进制翻倍）。在600 MHz谱仪上，归一化峰积分清晰区分四个编码状态；在400 MHz谱仪上虽有较大波动，但仍能保证正确读取。

第四，在信息安全功能开发阶段，研究实现了可逆加密和不可逆擦除两种机制。可逆加密利用溶剂敏感的¹⁹F化学位移特性：研究发现氯仿的加入会导致¹⁹F NMR峰的显著位移和编码序列的改变。当氯仿含量仅2% v/v时，二进制farcode即无法正确读取；当达到20% v/v时，误码率升至50%，实现了完全加密。通过简单真空蒸发去除氯仿后，编码序列完全恢复，误码率归零，且在四个循环中表现出优异可逆性。不可逆擦除则利用编码单元中酰胺键的水解敏感性：加入稀氢氧化钠溶液30分钟后，farcode变得完全不可读，误码率达35.9%。¹H NMR谱中酰胺N-H信号（9.5-12.5 ppm）的消失证实了酰胺键的裂解。

主要研究结果与结论

该研究成功建立了一个系统性的¹⁹F化学位移调控策略，通过粗调和微调的分步方法，构建了包含64个具有可区分化学位移的氟化芳烃编码库。基于该库生成的farcode实现了64位二进制编码和128位四进制编码的信息存储，并展示了可逆加密和不可逆擦除的信息安全功能。该平台具有合成简便、编码容量高、读取准确、安全性能优异等特点。

研究亮点与应用价值

该研究的主要亮点体现在四个方面：第一，发展了基于核屏蔽调控的通用分子设计策略，突破了以往依赖顺磁效应的技术路线，实现了对¹⁹F化学位移的精确、系统化调控；第二，建立了模块化、可扩展的合成方法，所有编码单元均可通过一步反应从商业原料制备，极大降低了技术门槛；第三，将定量核磁共振集成到编码体系中，成功拓展了编码维度，为更高进制编码（如八进制、十六进制）的实现提供了理论依据和实验基础；第四，巧妙利用溶剂效应和化学不稳定性，实现了信息加密和擦除双重安全机制。

在应用价值方面，该研究为分子尺度RFID标签的开发提供了可行的技术路线，未来可通过便携式低场核磁技术和自动化、人工智能辅助，实现farcode的自动化生成、读取和销毁，有望在物联网信息安全存储和防伪领域发挥重要作用。