Research advances of FRET-based artificial light-harvesting systems

JIANG Weiwei; ZHANG Dengqing; YI Tao

doi:10.12405/j.issn.2097-1486.2025.02.006

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Research advances of FRET-based artificial light-harvesting systems

更新时间：2026-02-03

- Research advances of FRET-based artificial light-harvesting systems
- Emerging Science and Technology(Nat.Sci.Ed.) Vol. 4, Issue 2, Pages: 179-199(2025)
- 作者机构：
  
  东华大学化学与化工学院，上海 201620
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12405/j.issn.2097-1486.2025.02.006
  CLC： O614
- Received：27 April 2025，
  
  Revised：2025-06-05，
  
  Published：25 June 2025
- 稿件说明：
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蒋维维,张灯青,易涛.基于共振能量转移机制的人工光捕获体系应用研究进展[J].新兴科学和技术趋势,2025,4(2):179-199.

JIANG Weiwei,ZHANG Dengqing,YI Tao.Research advances of FRET-based artificial light-harvesting systems[J].Emerging Science and Technology,2025,4(2):179-199.
蒋维维,张灯青,易涛.基于共振能量转移机制的人工光捕获体系应用研究进展[J].新兴科学和技术趋势,2025,4(2):179-199. DOI： 10.12405/j.issn.2097-1486.2025.02.006.

JIANG Weiwei,ZHANG Dengqing,YI Tao.Research advances of FRET-based artificial light-harvesting systems[J].Emerging Science and Technology,2025,4(2):179-199. DOI： 10.12405/j.issn.2097-1486.2025.02.006.

摘要

近年来，基于Förster共振能量转移（FRET）机制的人工光捕获系统（ALHSs）因其高效的光能捕获与定向传递特性，在化学、生物与材料科学等学科领域中展现出广阔的应用前景，正在成为跨学科研究的前沿热点。基于Förster共振能量转移机制的人工光捕获系统具有以下优势：①高效的能量定向传递：通过供体-受体（D-A）分子的精确光谱匹配与空间排布（1~10 nm），构建级联能量传递网络，量子效率可超过80%，显著提升光能捕获效率；②优异的多级能量传递能力：能够实现多步骤能量转移，提高能量利用效率；③出色的可逆性和可调控性：可通过外部刺激（如光、化学物质）动态调控能量的传递过程。基于Förster共振能量转移机制的人工光捕获系统近年来实现了跨越式发展，并在基础理论与技术应用层面取得一系列突破性成果。该领域有望突破能效与功能瓶颈，通过多学科协同创新推动其向能源、医疗、信息等跨领域应用的革新性渗透。本文系统梳理了基于Förster共振能量转移机制的人工光捕获系统在催化转化、光学防伪、生物应用及精准检测四大应用方向的研究进展，并深入探讨了该领域目前存在的关键挑战与未来发展方向。

Abstract

In recent years， artificial light-harvesting systems based on Förster resonance energy transfer （FRET） mechanism have become cutting-edge interdisciplinary research in chemistry， biology and material science， etc. owing to their efficient light energy capture and directional energy transfer characteristics. FRET-based artificial light-harvesting systems have the following advantages：（1） Highly directional energy transfer. Precise spectral matching and spatial arrangement （1~10 nm） of donor-acceptor （D-A） pairs enable cascaded energy transfer networks with quantum efficiencies exceeding 80%， significantly surpassing conventional systems；（2） Superior multi-step energy transfer. Multi-level energy migration pathways enhance overall energy utilization efficiency；（3） Dynamic reversibility and tunability. External stimuli （e.g.， light， chemical substances） allow real-time modulation of energy transfer dynamics. FRET-based artificial light-harvesting systems have recently achieved leapfrog development and made a series of breakthroughs in both fundamental theories and technological applications. This field is expected to break through the bottlenecks of energy efficiency and functionality， and promote its innovative penetration into cross-field applications of energy， healthcare， and information through multi-disciplinary collaborative innovation. This paper systematically reviews the research progress of FRET-based artificial light-harvesting systems in four major application directions， i.e. catalytic conversion， optical anti-counterfeiting， biological application and precise detection， and deeply discusses the key challenges and future directions existing in this field at present.

关键词

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