聚集诱导发光：从“一种奇特的实验现象”到“中国原创的科学领域”

检验之星

点击箭头处“蓝色字”，关注我们哦！！
<hr/>
作者：刘勇  王志明  唐本忠
聚集诱导发光是我国科学家在2001年观察到的一种发光现象，经过20多年的发展，人们对它的认识不断加深，材料体系不断丰富，应用方向不断拓展，已成为国际上重要的前沿研究领域。





光是万物生存不可或缺的重要条件，是促进人类进化和文明发展的最大动力。每一次对于光的本质理解的深化，每一次对于光的行为的更好操控，都会引发一场人类精神和物质层面的革命，进而重塑人类的思维模式和行为方法。
光本质上是一种电磁波，根据其产生机制的不同，可以分为三类：一是热效应产生的光，例如太阳比它周围环境的温度高，太阳便会一直以电磁波的形式向外释放能量，直到周围的温度和它一样;二是物质内部带电粒子加速运动所产生的光，同步辐射加速器工作时发出的光就属于这一类;三是电子跃迁发光，例如荧光。
荧光物质的电子被电磁波能量激发而由基态进入激发态，电子由激发态回到基态而发出冷光，发光时间一般小于20纳秒。关于荧光的最早记载可以追溯到1565年，由来自西班牙的医生兼植物学家莫纳德斯(N. Monardes)发现并记录下来，牛顿等在17世纪再次观察到荧光现象并给予更详细的描述。然而，关于荧光现象的解释却要等到19世纪。1852年，斯托克斯(G. Stokes)发现萤石等物质在不可见的紫外光照射下可以发射出波长更长的可见光，并提出了“荧光”(fluorescence)这一术语。荧光的研究在20世纪进入爆炸式发展，研究人员对荧光的认识不断加深，荧光的材料种类、激发方式、应用方向越来越丰富。




莫纳德斯





牛顿





斯托克斯


荧光材料和ACQ现象

荧光的产生方式有很多种，根据激发的方式可以分为光致发光、电致发光、化学发光、生物发光以及放射发光等。光致发光是指某些物质在紫外光、可见光或红外光激发下产生另外一种波长的光的现象，例如纸币、票据、商标等上的荧光图案，在紫外灯的照射下可发出红色、黄色、绿色等不同颜色的荧光。电致发光是指在直流或者交流电场的作用下，依靠电流或者电场的作用使物质发光的现象，例如电视、手机等电子设备中的OLED显示屏，其发光层材料在注入电子后发光。化学发光是指某些物质吸收化学反应过程中释放化学能而发光的现象，例如现在医院用于检测肿瘤标志物、心肌标志物及感染标志物等的化学发光试剂盒，连接有抗体的鲁米诺、吖啶酯等物质在检测到标志物后在酶或者过氧化氢的作用下会发射光，通过光的强度可以测定靶标的含量。生物发光是一种生物体内合成的化学物质在特定酶的作用下化学能转化为光的现象，如萤火虫的发光。萤火虫体内的荧光素酶催化天然底物荧光素、三磷酸腺苷、镁离子和氧气反应，将化学能转化为光，其强度与虫体内的氧气浓度相关。放射发光是指某些物体在放射性同位素的放射线作用下发光的现象，比如夜光表，其表盘的荧光材料可在放射性物质氚的放射线作用下发光。




荧光物质暴露在紫外线下时，会发出可见光（图片来源：Hannes Grobe/AWI）


根据材质，荧光材料可以分为无机荧光材料和有机荧光材料。以稀土材料为代表的无机荧光材料具有吸收能力强、转换率高、发光光谱窄及物理化学性质稳定等优点，广泛应用于白光照明、平板显示、光纤通信、生物成像及激光器等领域。而有机荧光材料具有原料来源广泛、种类丰富多样、结构和性质易调节、加工性能好、生物相容性好及材质轻薄柔性等优点，广泛应用于光电显示、化学/生物传感、生物成像、有机激光、发光场效应晶体管及防伪打印等领域。
传统的有机荧光材料通常在稀溶液中即溶解状态下展现较好的发光性能，而一旦浓度增加或受到溶剂影响而聚集成固态，荧光则会因为分子间的相互作用而显著减弱甚至消失，这种现象称为“聚集导致发光猝灭(aggregation-caused quenching)”效应，简称为ACQ现象。
对于大部分应用场景，发光材料都是在聚集状态下使用，从而导致有机荧光材料的应用领域和灵敏度受到限制。为减轻ACQ效应对材料发光效率的影响，科研人员采取了一系列化学、物理和工程的方法及手段来抑制分子间的聚集，包括将支化链、大环基团、树枝状或楔形结构基团等以共价键方式连接到芳香环上来阻止其聚集，或用表面活性剂包覆发光化合物，以及将其掺杂到透明聚合物介质中以减少分子间聚集。化学方法常涉及烦琐的合成步骤，且将大体积的侧基连接到芳香环上会严重扭曲发光分子的构象并影响其共轭结构和发光波长与效率;而物理方法则要求精细的工艺控制，重现性较差，并且物理工艺中使用的包覆剂和聚合物通常不发光，因此它们的引入将稀释体系的发光基元密度并妨碍电荷传输。

源头创新：从ACQ到AIE

聚集是一个自发的内在过程，人为抑制聚集并不能从根本上解决有机荧光材料的ACQ问题。转变下思路，如果能利用有机荧光材料的聚集来提高其在聚集态或固态下的发光强度，这将会是一条理想的途径。2001年，我国科学家唐本忠团队观察到了一个奇特的现象：一些有机荧光材料在溶液中几乎不发光，而在聚集状态或固体薄膜下发光显著增强。这种现象与传统ACQ类发光材料的行为存在显著不同，他们形象地将这种由于分子聚集而产生的“从无到有”或者发光大幅增强的光物理效应描述为“聚集诱导发光(aggregation-induced emission)”，简称为AIE

[1]

。AIE概念的提出颠覆了人们关于发光材料“聚集导致发光猝灭”的传统认知，为高效聚集态发光材料的设计提供了一条新的思路，因而得到了国际上化学、材料、生物、医学等领域科学家的广泛关注。据第三方机构爱思唯尔(Elsevier)基于Scopus数据全库的统计，2001—2021年，全世界约有76个国家和地区，2200余家科研机构，23 900多名科研工作者从事AIE及相关领域的研究工作。AIE已经发展成为一个由我国科学家引领、国外科学家竞相跟进的研究领域。基于AIE研究的原创性和国际引领性，“聚集诱导发光”获得了2017年度“国家自然科学奖一等奖”。AIE技术也被国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)列为“2020年化学领域十大新兴技术”之一。2020年，国际上第一本致力于报道聚集体科学相关基础研究和应用研究前沿科技成果的期刊Aggregate(《聚集体》)创办，目前已被全球最大的开放获取期刊DOAJ数据库、ESCI数据库、Scopus数据库等收录。2023年，首个以AIE材料光物理数据为中心建立的聚集体科学数据库(http://www.ASBase.cn)正式上线，并已收录AIE分子1000余种，包含信息量超过4万条。下一步，数据库功能将进一步完善，基于大数据推出人工智能计算模型，实现AIE材料的光物理数据和应用预测，助推相关研发工作。

AIE材料的应用

AIE 的发现为聚集态或固态发光材料的设计提供了一条新思路。AIE材料的种类不断丰富，迄今已有数千种AIE材料被设计出来，根据应用需求，可以通过对材料结构的设计实现发光颜色、荧光亮度、溶解性、功能基团以及手性等的调控。AIE研究也开花结果繁衍出诸多自成体系的新分支，如分子簇集发光、空间电子作用、非芳香共轭体系，以及基于固态分子运动的光热和光声效应等，而这些新领域的出现极大地加快了AIE研究向实际应用转化的步伐。
AIE材料现已成功应用于细胞器成像、微生物成像、组织成像、活体成像、诊疗一体化、小分子传感、蛋白质检测、离子传感、食品安全检测、抗菌、指纹检测、光电显示等方向。
生物成像
AIE材料具有生物相容性好、光稳定性好、聚集态量子产率高、斯托克斯位移大、点亮型成像等特点，近年来已在细胞器成像、微生物成像、组织成像等生物成像领域取得广泛应用

[2]

。传统的荧光材料虽已在生物成像领域应用多年，但其聚集猝灭特性导致的一系列问题常常困扰着研究人员，同时，其背景信号高、洗涤过程复杂等缺点也备受诟病。AIE荧光探针通常具有“不聚不亮，越聚越亮”的特性，只有与特定靶标结合才会产生信号。这种点亮的特性不仅大幅度降低了成像的背景信号，而且简化了生物成像的流程。此外，AIE荧光探针可以在高浓度下进行成像，不容易发生光漂白，可以对细胞、生物组织以及细菌等进行长时间观测。目前，研究人员已开发出多种适用于线粒体、溶酶体、内质网、脂滴、细胞核等细胞器的AIE荧光探针，并利用这些探针观测到了各种细胞器的精细结构、细胞分裂过程中染色体的变化、细胞代谢过程中细胞器的自噬与融合、细胞凋亡过程中的特定结构变化等。细菌、真菌等微生物会通过接触、空气传播、食物及水等途径感染人类并导致破伤风、肺炎及肠胃炎等疾病，因此对微生物的检测一直是基础及临床研究的热点及重点。AIE荧光探针能有效鉴别细菌和真菌，区分活菌与死菌，区分革兰氏阴性菌与阳性菌，具有高选择性、高亲和性及快速响应性，能直接对生物样本进行检测并在15~30分钟内获得检测结果，实现对微生物的快速可视化检测。
在组织成像领域，近红外激发/发射的AIE材料具有抗自体荧光干扰、组织穿透能力强及组织光损伤小等优势，已被报道用于脑部血管成像、深层次肿瘤成像及多种活性物种的体内追踪等。此外，AIE荧光材料还在疾病治疗领域崭露头角，包括光热治疗、光动力治疗、药物治疗、结合传统癌症治疗方式的联合治疗等。
生物传感
AIE荧光探针对生物体内的一些化学物质(如活性氧、硫醇、离子等)、生物大分子等的检测具有灵敏度高、速度快、无破坏性等特点，在生物传感领域展现出巨大的潜力。
过氧亚硝基阴离子(ONOO

-

)是一种高活性的活性氧物质，与炎症、肝损伤、神经退行性疾病、癌症等疾病密切相关。研究人员设计并合成了一种ONOO

-

与环境pH双响应的余辉发光AIE荧光探针，在生理pH下的ONOO

-

作用下，纳米探针表现出激活的近红外余辉发光

[3]

。在患病动物模型的体内研究中发现，该探针能够敏感地揭示急性皮肤炎症的发展过程，并能够快速准确地区分过敏和炎症，以及快速筛选能诱导免疫原性细胞死亡的抗肿瘤药物。阿尔茨海默病是一种严重的中枢神经系统变性病，全球60岁以上的人群中有5%~8%患有阿尔茨海默病，大脑中β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块被认为是阿尔兹海默病早期诊断和治疗的重要病理学标志。研究人员发现AIE荧光探针可以有效突破血脑屏障并与Aβ斑块结合，具有优异的光稳定性和超高的信噪比，可进行高保真度的组织学染色

[4]

。此外，尿液中的人血清白蛋白含量与糖尿病、高血压、肾功能失调等疾病紧密关联，尿液中白蛋白的检测对相关疾病的早期诊断具有重要价值。研究人员设计并合成了一种可以靶向性地结合尿液中的白蛋白的水溶性AIE荧光探针，该探针具有检测限低、灵敏度高、响应速度快、特异性强及成本低等优点，在临床检测上具有一定的应用前景

[5]

。化学传感
在过去的十几年里，通过设计不同的识别机制和分子结构，AIE荧光探针成功实现了对阴离子、金属离子、有机小分子等的识别和检测，且具有背景噪声低及检测效率高等优点。阴离子表面活性剂广泛应用于建筑、电镀、日用品等领域，然而其进入水体后会破坏水中微生物的平衡，影响水生生态环境的健康，甚至对人体健康构成潜在威胁。AIE荧光探针能有效检测出水中阴离子表面活性剂的含量，在1分钟内即可对浓度低至0.1毫克/升的表面活性剂进行响应。在紫外激发下，含有表面活性剂的水溶液发出红色荧光，其荧光强度与污染物浓度呈线性关系。
随着现代工业社会的发展，重金属污染已成为最严重的环境生态污染之一，其中汞离子作为一种剧毒污染物，不仅会破坏人体的新陈代谢，而且会损伤中枢神经系统和免疫系统，对人类生命健康构成严重威胁。研究人员设计了一种比率型汞离子传感AIE荧光探针，该探针在没有结合汞离子前发出微弱蓝色荧光，加入汞离子后发生快速反应，蓝色荧光逐渐降低而红色荧光增强，检测限低于美国环境保护组织规定的饮用水汞含量标准

[6]

。食品腐败变质后不仅营养价值会降低，且会产生影响人体健康的有害物质。鱼类和肉类等食品的腐败过程主要以蛋白质的分解为主，会产生多种有毒的生物胺，因此生物胺是常用的评价肉类新鲜度的指标之一。研究人员基于AIE荧光材料开发出一种便携式荧光传感器，该传感器检测到生物胺时会发出明亮荧光，不仅特异性高且检出限低至8.4毫克/升，成功实现了对生物胺的高灵敏检测

[7]

。体外诊断
体外诊断是指在人体之外，通过对人体样本(血液、体液、尿液、唾液、组织等)进行检测而获取临床诊断信息，进而判断疾病或机体功能的产品和服务，被称为“医生的眼睛”。体外诊断系统主要由诊断仪器和诊断试剂构成，目前相关仪器和试剂的单光子计数模块、激光器等核心元器件和抗体、微球等原材料严重依赖进口。其中，微球是尺寸在几十纳米到几十微米之间的有机或者有机-无机复合小球，是磁微粒化学发光、胶乳免疫比浊、免疫荧光、液相芯片、核酸提取等试剂的关键材料与反应载体。微球制备过程中对粒径大小、粒径均一性、磁性强度、荧光强度、批次稳定性及表面官能团含量的控制难度非常高，因此总体国产化率较低。基于AIE材料，研究人员已经成功开发不同粒径(50纳米到10微米)、不同光色(蓝色、绿色、黄色、红色、近红外等)和含不同官能团(羧基、氨基、环氧基等)的荧光微球，粒径的批内和批间的均一性变异系数控制在5%以内，单批次可以生产100升。基于AIE荧光微球开发的免疫荧光层析试纸条已成功应用在C反应蛋白等炎症标志物、肌钙蛋白T等心肌标志物、登革热等传染性病毒、毛发中冰毒等毒品的检测中，部分产品已经取得医疗器械注册证，未来可期。
功能材料
抗菌材料能有效抑制细菌生长，防止伤口感染，促进伤口愈合，在创伤康复、手术伤口管理、烧伤和溃疡护理等中广泛使用。国际著名学术期刊《柳叶刀》(The Lancet)发表的数据显示细菌感染已成为全球第二大死因，有1/8的死亡与此相关，因此研发具有优良性能的抗菌材料是重要的生物医用材料发展方向。AIE材料在光照时能高效产生活性氧，打破细菌内的抗氧化机制从而有效杀死细菌。研究人员基于手持式静电纺丝装置成功开发了一种抗菌AIE纳米纤维敷料，可直接静电纺丝到不规则的伤口部位，对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球等具有高效的抗菌活性

[8]

。指纹具有唯一性，自20世纪初以来，指纹分析已经成为法庭科学鉴定罪犯的有力工具，在犯罪现场的指纹恢复和再现在法庭科学中至关重要。研究人员基于AIE材料开发出一种荧光磁性指纹粉

[9]

，该试剂具有荧光亮度强、分辨率高和黏附性良好等特点，其荧光亮度可达普通荧光粉末的几十倍，弥补了现有荧光磁粉在与粉末颜色相似背景下显现指纹效果差的缺陷，已协助公安机关破获多起案件。光电显示
有机发光二极管具有柔性可折叠、响应速度快、视角范围大、发光效率高等优点，广泛应用于智能手机、平板电视、穿戴显示、工控设备显示等领域，需求不断增大，是新一代信息技术的先导性支柱产业。
研究人员将上转换发光材料与具有热激子特性的AIE材料相融合，不仅可以有效减小高能级三线态激子的损失，还可以促使三线态激子通过多通道过程返回单线态进行发光，从而实现了AIE非掺杂蓝光器件的性能突破，最大外量子效率为10.3%

[10]

。研究人员通过新的氧桥关环设计策略，构筑具有弱吸电子性能的刚性电子受体基团，开发了高性能蓝光及深蓝光AIE材料：非掺杂器件在发射波长470 纳米处的外量子效率达21.6%，具有极小的效率滚降;材料在20wt%的掺杂浓度下器件外量子效率高达43.4%

[11]

。有机发光二极管中的发光层材料是核心功能层材料，目前主要被日本、韩国、美国、德国等国家的相关化学品公司垄断，我国总体处于起步阶段，亟须发展具有自主知识产权的低成本、高性能材料。

总结与展望

AIE现象的发现是偶然的。科学家们围绕这一现象不断研究，深入挖掘，已经开发出数千种AIE材料，并不断拓展其在生物成像、生物传感、化学传感、体外诊断、功能材料、光电显示等领域的应用，从基础理论、材料研发及技术应用等多个维度持续创新和突破，已经在全世界范围内产生巨大影响。创新是科学的源头，是第一动力，是我国高质量发展的引擎，是赢得未来的关键。如何维持我们在该原始创新领域的领跑地位，将具有中国自主知识产权的AIE材料体系运用到现实问题的解决中，去解决我国在关键原材料和器件等领域的卡脖子问题，为我国的质量变革、效率变革和动力变革服务，将是相关工作者们的下一步挑战和不可推卸的责任。



刘勇，副研究员;王志明，研究员;唐本忠，教授，中国科学院院士：广东省大湾区华南理工大学聚集诱导发光高等研究院，广州 510530。
Liu Yong, Research Associate; Wang Zhiming, Research Professor; Tang Ben Zhong, Professor, Academician of CAS: AIE Institute, Guangzhou 510530.

[1]Luo J, Xie Z, Lam J W Y, et al. Aggregation-induced emission of 1-methyl-1, 2, 3, 4, 5-pentaphenylsilole. Chemical Communications, 2001 (18): 1740-1741.
[2]Wang H, Li Q, Alam P, et al. Aggregation-induced emission (AIE), life and health. ACS Nano, 2023, 17(15): 14347-14405.
[3]Chen C, Gao H, Ou H, et al. Amplification of activated near-infrared afterglow luminescence by introducing twisted molecular geometry for understanding neutrophil-involved diseases. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144(8): 3429-3441.
[4]Fu W, Yan C, Guo Z, et al. Rational design of near-infrared aggregation-induced-emission-active probes: in situ mapping of amyloid-β plaques with ultrasensitivity and high-fidelity. Journal of the American Chemical Society, 2019, 141(7): 3171-3177.
[5]Tu Y, Yu Y, Zhou Z, et al. Specific and quantitative detection of albumin in biological fluids by tetrazolate-functionalized water-soluble AIEgens. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(33): 29619-29629.
[6]Chen Y, Zhang W, Cai Y, et al. AIEgens for dark through-bond energy transfer: design, synthesis, theoretical study and application in ratiometric Hg 2+ sensing. Chemical science, 2017, 8(3): 2047-2055.
[7]Gao M, Li S, Lin Y, et al. Fluorescent light-up detection of amine vapors based on aggregation-induced emission. Acs Sensors, 2016, 1(2): 179-184.
[8]Dong R, Li Y, Chen M, et al. In situ electrospinning of aggregation-induced emission nanofibrous dressing for wound healing. Small Methods, 2022, 6(5): 2101247.
[9]Qiu Z, Hao B, Gu X, et al. A general powder dusting method for latent fingerprint development based on AIEgens. Science China Chemistry, 2018, 61: 966-970.
[10]Han P, Lin C, Xia E, et al. Nondoped blue AIEgen‐based OLED with EQE approaching 10.3%. Angewandte Chemie International Edition, 2023: e202310388.
[11]Fu Y, Liu H, Tang B Z, et al. Realizing efficient blue and deep-blue delayed fluorescence materials with record-beating electroluminescence efficiencies of 43.4%. Nature Communications, 2023, 14(1): 2019.
关键词：聚集诱导发光  AIE材料  固态发光材料■




本文刊载于2024年第76卷第1期《科学》杂志（P1-P5）

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/683808038