大学化学, 2023, 38(7): 56-60 doi: 10.3866/PKU.DXHX202207118

科普

聚是满灯明

朱超峰, 张国阳, 王卓,

Together We Shine

Zhu Chaofeng, Zhang Guoyang, Wang Zhuo,

通讯作者: 王卓, Email: wangzhuo77@mail.buct.edu.cn

收稿日期: 2022-07-25   接受日期: 2022-09-23  

基金资助: 国家自然科学基金委.  81961138011
国家自然科学基金委.  82131430174
Academy of Medical Sciences Newton Advanced Fellowship.  NAFR13\1015
中央高校科研业务费.  G-JG-PTZG202109

Received: 2022-07-25   Accepted: 2022-09-23  

Abstract

The discovery of fluorescence and the development of fluorescent dyes have enriched our lives and brought important applications. As a new member of the fluorescent dye family, aggregation-induced emission materials have developed rapidly in recent years. Herein, we introduce the development history of the aggregation-induced emission phenomenon, the application of the aggregation-induced emission (AIE) materials, and the prospect of the future.

Keywords： Fluorescent dye ; Aggregation-caused quenching ; Aggregation-induced emission

PDF (1901KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

朱超峰, 张国阳, 王卓. 聚是满灯明. 大学化学[J], 2023, 38(7): 56-60 doi:10.3866/PKU.DXHX202207118

Zhu Chaofeng. Together We Shine. University Chemistry[J], 2023, 38(7): 56-60 doi:10.3866/PKU.DXHX202207118

千百年来，“风雨同舟，和衷共济”是中华民族发展进程中一以贯之的文化基石。从“人心齐，泰山移”的朴素道理到“万夫一力，天下无敌”的金石之言，从“天时不如地利，地利不如人和”的思想观念到“患难与共，众志成城”的民族意识，“团结一致”始终被视为中华民族的“天地常经，古今通义”。而我们今天的主角，聚集诱导发光类荧光染料——AIE家族，便是“团结”的象征。

1 锋芒毕露显暗伤

相传在江湖上，流传着这样一个家族的传奇故事，它们起家初期就博得了众人的青睐，而后不断扩大产业，不仅包揽了生物大分子成像[1]、细胞器成像[2]、肿瘤成像[3]等领域的生意，而后又进军离子检测[4]、光电器件[5]等领域，没错，它们就是传统荧光染料——聚集诱导猝灭(Aggregation-caused quenching，ACQ)家族。ACQ家族人才辈出，例如罗丹明、香豆素、花菁、氟硼荧等在业内都享有盛誉[6]，这不，最近硅罗丹明又出风头了，不仅能实时检测精神分裂小鼠脑内的活性物质硫化氢，还通过荧光变化表征了治疗前后小鼠脑内硫化氢含量的变化[7]。

然而，ACQ家族苦于一道难题已几十载，尽管它们家族的能兵强将各个神通广大，稀溶液下发光强烈，但它们却并不像旁人看上去那般团结，聚集态或高浓度下的ACQ族人发光会不断减弱，直至彻底消失。比如，苝作为ACQ家族的典型成员之一，在四氢呋喃中它可以发出明亮而强烈的荧光，但是随着不良溶剂水的入侵，它们被迫聚集在一起，导致自身荧光不断衰减，直至完全消失(图 1)。这个缺点很大程度上限制了ACQ家族在物质检测、生物成像及疾病诊疗等领域中的应用。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   苝在不同比例的四氢呋喃/水混合溶剂中的聚集诱导猝灭现象[8]

电子版为彩图，下文同


2 时势造英雄

2.1 AIE问世

2001年，唐本忠院士首次发现并提出了聚集诱导发光(Aggregation-induced emission，AIE)现象[9]，作为AIE家族的“伯乐”，他将AIE家族的人才介绍给世界各国认识，自此AIE家族美名远扬，逐步走进了人们的视野之中。

这样一个名不见经传的家族一问世，便给了ACQ家族一记下马威，向它们展现了团结的力量。六苯基噻咯(Hexaphenylsilole，HPS)作为AIE家族的长老，奉行“团结就是力量”的人生格言，它自身呈现为独特的螺旋桨式构型，在稀溶液中单兵作战时发光微弱甚至观测不到，但团结起来便与ACQ家族的各位截然不同，呈现出强而明亮的荧光(图 2)。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   六苯基噻咯在不同比例的乙腈/水混合溶剂中的聚集诱导发光现象[8]


因此，AIE家族最显著的优势便是团结——聚集态下的高效发光，恰好弥补了ACQ家族最大的缺陷，这一特点也使得AIE家族逐渐成为人才市场上的潜力股。

AIE家族的问世为人们克服ACQ家族的痼疾开辟了一条新途径，也引发了众多学者的研究兴趣，如致力于AIE家族在生物医学及能源中应用研究的刘斌教授[10]、开发AIE家族新成员喹啉腈染料并用于生物医学研究的朱为宏教授[11]、探索具有AIE特性聚合物的设计合成与应用的秦安军教授[12]、在聚集体光电功能材料富有成就的李振教授[13]、从事新型AIE材料的生物应用研究工作的王东教授[14]、致力于开发疾病诊治新型AIE材料的丁丹教授[15]等杰出的科学家。

我国科学家为AIE家族的兴起付出了不懈的努力，不仅不断提出新型分子结构为AIE家族添砖加瓦，还将AIE家族引入各大领域，带领AIE家族逐渐走向昌盛，经过二十多年的发展，AIE家族向ACQ家族此前垄断的多个领域进军，如智能材料、液晶或偏振光材料、高效的OLED显示和照明材料、光波导材料、生化传感材料、痕迹识别材料以及生物成像材料等，一跃成为了“新型人才培育之家”。

2.2 AIE揭秘

AIE家族在这短短数十年间向各个领域输送了大批量的人才，家族的发展一片欣欣向荣，这也难免引起了ACQ家族的不满，不惜向AIE家族发起挑战，质疑它们光学性质的可靠性。对此，AIE家族特地举办了一场新闻发布会，深入地向人们阐述它们高效发光的秘密，来打消人们心中的疑虑。

主角正是AIE家族的明星“四苯乙烯(Tetraphenylethylene，TPE)”，AIE家族介绍道：“TPE分子的四个苯环(四个转子)连接到中心双键作为它的‘四肢’，当TPE均匀地分散在良溶剂中时，‘四肢’处于活跃的自由旋转状态，而且不断地与周围的溶剂相互作用，自身的能量主要以散热的形式耗散(非辐射跃迁)，从而导致发光微弱；在处于聚集态时，相邻的TPE分子彼此造成的约束会较大程度地限制各个分子中‘四肢’的运动，非辐射跃迁受到阻碍，自身的能量便主要以发光的形式耗散(辐射跃迁)，从而导致荧光增强，闪闪发光(图 3)。”话音刚落，台下掌声四起，新闻发布会顺利结束。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   四苯乙烯分子内运动受限发光机理[8]


经过这场小风波，人们对AIE家族的好感不断增加，它们也不负众望，以更豪迈的姿态书写着家族传奇。在AIE家族的不懈努力下，多个行业都能看见AIE族人的身影，它们的出现解决了ACQ家族一直以来的难题，也使得它们在更多领域的应用及发展备受期待。

3 AIE人才满天下

相比于ACQ家族，AIE家族团结一致，凭借它们的口碑，在各个领域逐渐打下了一片天地(图 4)。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   聚集诱导发光材料在各领域的应用[8]


3.1 指纹显影破奇案

AIE家族的成员在物证分析领域凭借聚集态发光增强的独特优势，顺利融入了指纹显影领域，并在办案的过程中发挥作用。作案时留下的指纹，在AIE家族的帮助下可以很大程度地显现出来，为办案提供线索，辅助破案[16]。

3.2 食品安全显神威

俗话说：“民以食为天”。在现如今的生活中，人们在吃饱饭的同时也更加注重饮食健康，这就引起了AIE家族对“食品安全”领域的关注。它们结合食品安全领域的需求，培养了一批结构设计巧妙且光学性质优异的高素质人才，不仅特异性强、选择性好、灵敏度高，还不受时间空间的限制。AIE家族独特的荧光性质也使其成为检测材料中的佼佼者，例如，三聚氰胺毒奶粉事件一度轰动全国，给不少家庭带来了不可挽回的损失，AIE家族深感惋惜，为此训练出了一位位“勇士”来检测三聚氰胺，降低了此类事件发生的可能性，为我们的生活提供了保障[17]。

3.3 离子检测露妙手

生态环境与我们的生活密切相关，随着人类生产活动的发展与进步，各种环境问题日益严峻起来。例如，污水净化不达标排放，会导致江河湖海中各种有害物质含量的升高。Hg2+作为生活中常见的一种重金属污染物，其毒性较大，生活用水中Hg2+含量过高会危害生态环境的健康发展。AIE家族为响应“保护环境，人人有责”的号召，鼓励新一辈族人投身环保事业，其中不乏在重金属污染物检测领域有所小成的“后浪”，成功实现对Hg2+等污染物进行实时动态的特异性检测[18]。

3.4 OLED树伟绩

有机发光二极管(Oganic light emitting diodes，OLED)近年来发展迅速，依赖其高亮度、高对比度、响应快及固态显示等优点，OLED材料已广泛应用于电子产品领域、交通领域、军事领域、医疗领域等。而且，OLED材料在快速发展的下一代显示和照明领域备受瞩目，尤其是OLED显示屏的发展前景广阔，市场潜力巨大。这不，AIE家族也看上了这一点，在各位专家的指导下，它们凭借自身的优势在OLED领域做得风生水起，固体发光强烈的新型AIE高素质人才也为推动高效非掺杂OLED材料的发展贡献了自己的一份力量，它们不仅成本更低、寿命更长，而且具备可观的灵活性[19]。

3.5 细胞成像揭奥秘

细胞作为生命体基本的结构和功能单位，对人体而言，它们各司其职，在体内扮演着各自的角色。细胞的成像和示踪不仅有助于我们揭示细胞参与的生命活动，还能探索各类组织器官的发育过程和疾病发生的机制与发展等。为了实现这一领域的突破，AIE家族煞费苦心，历经多年的努力终于有所建树，不仅成功实现了小鼠体内脂肪干细胞(ADSCs)的长期追踪成像[20]，还在多个家族成员联手下对正常细胞和多种癌细胞进行了成像分析[21]。

3.6 手术导航立头功

随着社会的发展和进步，人们对重大疾病的诊治非常关注。如心血管疾病、神经退行性疾病、多种原位发病的癌症等，它们均具有发病缓慢、前期诊断困难的特点，对疾病的有效诊治提出了挑战。例如，癌症的有效治疗与癌症的早诊密切相关。AIE家族自身具备聚集态下高效发光的优势，这使得人们很看好它们在肿瘤长效成像中的应用。在数十年的发展中，AIE家族不断注重培养复合型人才，以期在肿瘤成像领域有所作为，AIE纳米粒子便是杰出的复合型人才代表，不仅成功实现了对小鼠转移癌模型的成像，还实现了光学成像引导下的肿瘤组织切除[22]，展现出了复合型AIE人才在健康领域的应用前景。

3.7 教学科研两相长

AIE家族在科学家眼中是不可多得的人才，殊不知，在化学老师的眼中，它们更是启迪学生们的“明灯”。AIE现象作为AIE家族特有的性质，须以现代仪器辅助才能为我们所探究，这就与仪器分析课程的初衷不谋而合，我们可以在仪器分析实验中分析AIE家族不同成员的光谱性质，进而探讨不同溶剂、不同结构修饰对它们的影响。而且，在有机化学教学中，AIE家族结构与光谱息息相关的特性也值得我们深入探讨。此外，教学应联系实际，AIE家族在各大领域的应用实例各个生动活泼，如目标物质检测、成像分析、疾病诊断等，也值得我们学习。因此，开展AIE家族相联系的光谱测定实验和专业应用实验，不仅能让我们感受到AIE家族成员的可爱风趣，还能使我们体验创新、前沿科学带给我们的快乐，为万千学子未来的深造之路点亮一盏灯。

4 结语

AIE家族培养的新型荧光人才在各个领域均展示着其不可掩盖的“光芒”，同时它们还在不断优化家族成员的结构以获得更优异的光学性质，并将制备过程低成本化，拓展实际应用领域，促进AIE家族走进千家万户的生活中。总而言之，目前AIE家族应用的大门已经打开，未来让我们不断努力，在AIE家族的陪伴下照亮我们生活中的各个角落。

我们的科学发现就像是夜里散落的星星，它们在各自的领域里闪耀着，指引后人前行的道路。科研的道路上倘若我们善于培养一双发现美的眼睛，再加上一份专注于美的信念，我们定会迎来“繁星散满天，灯火聚通明”的世界。

参考文献

Ma L. J. ; Yang S. ; Ma Y. F. ; Chen Y. Z. ; Wang Z. G. ; James T. D. ; Wang X. F. ; Wang Z. Anal. Chem. 2021, 93, 12617.

DOI:10.1021/acs.analchem.1c02289      [本文引用: 1]

Liu W. J. ; Qiao Q. L. ; Zheng J. Z. ; Chen J. ; Zhou W. ; Xu N. ; Li J. ; Miao L. ; Xu Z. C. Biosens. Bioelectron. 2021, 176, 112886.

DOI:10.1016/j.bios.2020.112886      [本文引用: 1]

Gao G. ; Sun X. B. ; Liu X. Y. ; Jiang Y. W. ; Tang R. Q. ; Guo Y. X. ; Wu F. G. ; Liang G. L. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102832.

DOI:10.1002/adfm.202102832      [本文引用: 1]

Priessner M. ; Summers P. A. ; Lewis B. W. ; Sastre M. ; Ying L. M. ; Kuimova M. K. ; Vilar R. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23148.

DOI:10.1002/anie.202109349      [本文引用: 1]

Hong X. C. ; Zhang D. D. ; Yin C. ; Wang Q. ; Zhang Y. W. ; Huang T. Y. ; Wei J. B. ; Zeng X. ; Meng G. Y. ; Wang X. ; et al Chem 2022, 8, 1705.

DOI:10.1016/j.chempr.2022.02.017      [本文引用: 1]

王晓驰; 常刚; 曹瑞军; 孟令杰. 化学进展, 2015, 27, 794.

URL     [本文引用: 1]

Geng Y. J. ; Zhang G. Y. ; Chen Y. Z. ; Peng Y. H. ; Wang X. F. ; Wang Z. Anal. Chem. 2022, 94, 1813.

DOI:10.1021/acs.analchem.1c04611      [本文引用: 1]

Mei J. ; Leung N. L. C. ; Kwok R. T. K. ; Lam J. W. Y. ; Tang B. Z. Chem. Rev. 2015, 115, 11718.

DOI:10.1021/acs.chemrev.5b00263      [本文引用: 4]

Luo J. D. ; Xie Z. L. ; Lam J. W. ; Cheng L. ; Chen H. Y. ; Qiu C. F. ; Kwok H. S. ; Zhan X. W. ; Liu Y. Q. ; Tang B. Z. ; et al Chem. Commun. 2001, 18, 1740.

[本文引用: 1]

Gan S. M. ; Wu W. B. ; Feng G. X. ; Wang Z. M. ; Liu B. ; Tang B. Z. Small 2022, 18, 2202242.

DOI:10.1002/smll.202202242      [本文引用: 1]

Fu W. ; Yan C. X. ; Guo Z. Q. ; Zhang J. J. ; Zhang H. Y. ; Tian H. ; Zhu W. H. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3171.

DOI:10.1021/jacs.8b12820      [本文引用: 1]

Shen J. L. ; Situ B. ; Du X. C. ; Wang Z. M. ; Hu R. ; Li B. X. ; Qin A. J. ; Tang B. Z. ACS Sens. 2022, 7, 766.

DOI:10.1021/acssensors.1c02237      [本文引用: 1]

Liu S. W. ; Lin P. X. ; Wu M. ; Lan Z. A. ; Zhu Z. H. Y. ; Han M. M. ; Fan Y. H. ; Chen X. ; Wang X. C. ; Li Z. ; et al Appl. Catal. B-Environ. 2022, 309, 121257.

DOI:10.1016/j.apcatb.2022.121257      [本文引用: 1]

Qin Y. ; Chen X. H. ; Gui Y. X. ; Wang H. ; Tang B. Z. ; Wang D. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 12825.

DOI:10.1021/jacs.2c03895      [本文引用: 1]

Qi J. ; Jia S. R. ; Kang X. Y. ; Wu X. Y. ; Hong Y. N. ; Shan K. ; Kong X. L. ; Wang Z. M. ; Ding D. Adv. Mater. 2022, 34, 2203309.

DOI:10.1002/adma.202203309      [本文引用: 1]

Jin X. D. ; Wang H. ; Xin R. ; Ma Y. N. ; Wu G. P. ; Xu T. X. ; Xia X. W. ; Wang S. F. ; Ma R. L. Analyst 2020, 145, 2311.

DOI:10.1039/C9AN02158B      [本文引用: 1]

Ai K. L. ; Liu Y. L. ; Lu L. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9496.

DOI:10.1021/ja9037017      [本文引用: 1]

Ma K. ; Li X. ; Xu B. ; Tian W. J. Anal. Methods 2014, 6, 2338.

DOI:10.1039/C3AY42255K      [本文引用: 1]

Guo X. M. ; Yuan P. S. ; Fan J. Z. ; Qiao X. F. ; Yang D. Z. ; Dai Y. F. ; Sun Q. ; Qin A. J. ; Tang B. Z. ; Ma D, G. Adv. Mater. 2021, 33, 2006953.

DOI:10.1002/adma.202006953      [本文引用: 1]

Ding D. ; Mao D. ; Li K. ; Wang X. M. ; Qin W. ; Liu R. R. ; Chiam D. ; Tomczak N. ; Yang Z. M. ; Tang B. Z. ; et al ACS Nano 2014, 8, 12620.

DOI:10.1021/nn505554y      [本文引用: 1]

Ma Y. F. ; Ai W. T. ; Huang J. ; Ma L. J. ; Geng Y. J. ; Liu X. L. ; Wang X. F. ; Yang Z. Y. ; Wang Z. Anal. Chem. 2020, 92, 14444.

DOI:10.1021/acs.analchem.0c02426      [本文引用: 1]

Tao Y. N. ; Yan C. X. ; Li D. ; Dai J. F. ; Cheng Y. S. ; Li H. ; Zhu W. H. ; Guo Z. Q. JACS Au 2022, 2, 246.

DOI:10.1021/jacsau.1c00553      [本文引用: 1]

/

〈 〉