苏州大学张正彪教授《自然·通讯》：成功将二进制数字信息编码到树枝状高分子中！

来源：高分子科学前沿

近日，苏州大学张正彪教授研究小组，通过巯基/马来酰亚胺迈克尔加成反应以及树枝状高分子的发散增长策略，成功将二进制数字信息编码到树枝状高分子中。结合串联质谱测序技术和二维码技术实现了数据信息的有效读取，在数字高分子的信息存储、读取及应用领域取得重要进展。相关研究成果近日以“Binary tree-inspired digital dendrimer”为题发表在《Nature Communications》(10.1038/s41467-019-09957-6)上。

众所周知，DNA分子中碱基的精确序列构成了生命体的遗传信息。近年来研究发现，DNA同样可以作为数据的存储载体，应用于数据存储等领域。但DNA稳定性以及与其他材料的兼容性较差，实际应用受到限制。近年来，高分子研究学者提出利用单一分子量且具有精确序列的合成高分子作为数据存储载体，并称之为“数字高分子”。这种数字高分子稳定性好、结构和功能的可设计性强大，是理想的数据存储介质。在前期工作中，张正彪教授研究小组针对数字高分子合成效率低的问题，建立了巯基/马来酰亚胺迈克尔加成反应的合成路线，实现了数字高分子的高效合成（详见Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13612–13617）。目前，数字高分子合成及应用局限于线性高分子，其存储容量和应用范围受到限制。为了解决这一问题，张正彪教授研究小组受计算机科学中二叉树概念的启发，在已建立的巯基/马来酰亚胺迈克尔加成路线的基础上，创造性地将二进制数字信息通过同样的迈克尔加成反应“写入”到树枝状大分子中，并且将串联质谱测序和二维码技术“移植”到序列结构的解析中，进而提出了树枝状数字高分子的概念。

图一. a) 序列精确的树枝状数字高分子的合成(编码)示意图：(i) con. HCl, MeOH, 70℃ or acetylchloride, MeOH/CH2Cl2 =1:5, -78 to 25℃,inert atmosphere, (ii) Toluene, 110℃, (iii) Et3N, CHCl3,25℃, (iv) N-chlorosuccinimide, CCl4, 76℃；b) 树枝状数字高分子一级质谱和二级质谱碎片解析。

作者利用巯基/马来酰亚胺迈克尔加成反应合成了一系列二进制支化单体。利用树枝状高分子的发散增长合成策略，合成了不同代数的序列精确的树枝状高分子，实现了数据信息的高效编码。作者利用串联质谱对构建的数字高分子进行解码（图一），进一步对解析所得的数字信息（二维数字矩阵）按照设定的规则进行加密，并将加密后的数字矩阵转化为二维矩阵码（即将1转换为黑色模块，0转换为白色模块）。借助基于Reed-Solomon法计算矩阵码存储容量的方法，建立了树枝状数字高分子数据存储容量的计算方法（图二）。这种二维矩阵码可以被移动客户端的扫码软件识别并读取，从而可被用于商品追踪、标签识别和防伪等领域(图三)。

图二. a) 串联质谱信息翻译为二维矩阵码；b) 树枝状数字高分子的存储容量计算；c) 存储容量与树枝化数字高分子结构的关系

图三. 自树枝状数字高分子翻译的二维矩阵码应用于商品追踪、移动标签识别和防伪领域

这种树枝状数字高分子具有合成步骤少、数据存储容量高的优点，在数据存储以及防伪材料领域有较好的应用前景。这一结果构建了从微观分子结构到宏观二维码的桥梁，为序列精确高分子的研究开创了一个新的领域。

这一成果近期发表在《Nature Communications》上，文章第一作者是苏州大学博士研究生黄智豪，文章的通讯作者是张正彪教授。

参考文献：

Zhihao Huang, Qiunan Shi, Jiang Guo, Fanying Meng, Yajie Zhang, Yutong Lu, Zhuangfei Qian, Xiaopeng Li, Nianchen Zhou, Zhengbiao Zhang*, Xiulin Zhu, Binary tree-inspired digital dendrimer.Nature Commun., 2019,DOI: 10.1038/s41467-019-09957-6