原創 Cell Press CellPress細胞科學 來自專輯Cell Press對話科學家
物質科學
Physical science
聚集誘導發光（AIE）現象的出現挑戰了發光團的聚集不利於發光這一通識。以往對發光分子的處理，都是儘可能避免分子聚集。與之相反，AIE效應則利用分子的聚集來促進分子發光。與傳統聚集導致猝滅（ACQ）分子相反，具有AIE特點的發光團通常在孤立體系或者溶液體系中不發光或者發微弱的光。但是，當這些AIE分子聚集時，其發光現象得以增強。AIE概念提出後，分子的設計與開發和AIE機制的深入研究並行開展。在此後二十年，吸引了國內外眾多研究工作者的眼球，並掀起研發熱潮。
本文中，香港科技大學唐本忠院士團隊聯合新加坡國立大學劉斌教授團隊闡述了近20年，AIE研究進展中關鍵的裡程碑。按照AIE研究的整個發展進程，可分為以下三個階段：第一，AIE概念的提出；第二，AIE潛在應用的確立和AIE概念的固化；第三，AIE研究在眾多技術領域的應用拓展。同時，作者分析了AIE研究存在的一些挑戰並提出應對策略。最後，對未來AIE應用領域的發展進行了預測，並期待這一研究能夠為眾多實際應用學科帶來突破。
▲近20年AIE 研究的關鍵裡程碑
AIE概念的提出
唐本忠院士團隊在2001年一次偶然實驗中發現，不發螢光的1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯在薄層色板層析後，竟發出螢光。這一奇怪現象與人們所熟知的ACQ效應相違背，通常認為聚集態不利於螢光發射。在本實驗中，分子聚集態的形成卻減弱ACQ現象，並表現為越聚越亮的特性。於是，唐本忠院士團隊抓住機遇，首次提出AIE概念，並開展深入研究。研究初期，人們將AIE現象的發生歸因於聚集形態限制分子間轉動，降低分子轉動對激發態分子的能量消耗，從而促進激發態分子以輻射形式，即發光形式釋放能量。同時期，除分子間轉動限制的理論外，還有其他的一些假設包括構型平面化、順反異構化以及J-聚集理論，但這些理論只在某些特定的情況中才能有效解釋AIE現象。
潛在的AIE應用領域的確定以及AIE概念固化
隨著對AIE本質機理探索工作的開展，眾多科研工作者也同時致力於AIE的各項研究。第一個裡程碑是2003年首次將AIE拓展至聚合物科學，發現含噻咯的聚乙炔也可實現AIE。2004年首次將AIE引入生物科學，合成噻咯納米晶體作為生物標籤可用於免疫分析。此外作者提到，具備AIE特徵的噻咯聚集體促使了非晶化驅動發射光顏色變化的研究，而該研究在光電子領域有著廣闊前景。
四苯乙烯（TPE）的合成與引入使得AIE分子的範圍進一步擴展。TPE的引入使得AIE分子易於合成且結構可調。事實上，AIE研究第二個十年的多數進展都基於TPE及其衍生物。2010年的研究工作表明一些ACQ分子，比如蒽和芘，可通過與單個或多個TPE單元鍵連而成為AIE分子，因而可進一步豐富AIE分子庫。
AIE研究技術應用的拓展
過去十年見證了AIE研究的跨領域發展。值得一提的是AIE研究在第二個十年開始邁向國際化舞臺。在這一時期，AIE向更複雜的平臺發展，比如AIEdots、AIE探針、AIE聚集體、AIE金屬有機框架及AIE金屬籠。新的AIE結構的設計與合成伴隨著對AIE機理更深的認識，引入了更普遍的分子間運動限制機制，包括分子轉動和振動的限制機理。這些新的機制，尤其是對Kasha’s規則和光化學結構改變的抑制，進一步推動了AIE分子結構的合理設計，比如合成具有雙鍵振動、面扭曲甚至簇扭曲的AIE分子。結合一些新AIE概念的提出，比如簇發光、陰離子-π*相互作用、非手性螺旋轉變、圓偏振發光及固態分子運動等，共同掀起了AIE分子在光電子器件製備、環境監測、生物傳感和臨床診斷與治療領域的熱潮。
在光電子領域，眾多具有百分百量子效率且發射光覆蓋整個可見光和近紅外區域的AIE分子，已應用於有機發光二極體的設計。同時基於AIE分子的液晶材料在製備簡化且無需背景光照射的光發射液晶顯示器領域也展現出應用潛質。最近實現的跨空間共軛AIE體系，因具有藍光熱活化延遲螢光性質，預測可進一步拓寬光電器件的疆域。
在環境監測領域，構建具備高選擇性的AIE化學傳感器以迅速檢測有害金屬離子的工作已經開展。AIE探針可實時檢測環境汙染物、有害氣體、有害細菌和毒性物質並獲得可見光信號。同時，研究者也致力於AIE實用化和現場檢測的研究，通過在可攜式設備比如試紙條和智慧型手機中整合AIE探針，以進行實時傳感。
AIE分子的另一個重要應用是進行物理過程和界面的原位監測。通常，使用傳統方法實現這一目標是十分困難的，最新研究表明，通過使用具備圓偏振發光的前手性AIE分子有望進一步提高監控過程的準確性。
在生物醫藥領域，2012年AIEdots和AIE light-up探針的問世，極大地加速了AIE分子在生物科學和納米醫藥領域的發展。其中AIE light-up探針已成功應用於生物體內外過程的持續檢測。AIEdots用於靶向細胞和亞細胞成像、血管成像、疾病診斷和癌症分級、圖像導引手術和治療等研究工作也在開展。
綜上，AIE研究的第二個十年碩果纍纍，在這一時期的眾多進展為更加成熟的基於AIE概念的技術開闢了道路。
未來：挑戰和展望
AIE作為能夠解決ACQ問題的少數策略之一，具有極高的實用價值。AIE效應已經在眾多領域產生了深遠影響，引發了陣陣研究熱潮。但同時，AIE研究也面臨著諸多挑戰：第一，轉子結構導致的激發波長短；第二，多物種堆疊導致發射峰寬；第三，依賴於分子堆疊的發光性質；第四，分子發光和光熱效應受隨機固態分子轉動的影響；第五，AIE分子的常亮性質無法用於接通傳感試條製備。
這些挑戰或許不一定是問題，但仍值得研究。文中作者給出相應的解決策略：第一，採用給體-受體結構或利用非線性光學效應來獲得長波長激發體系；第二，利用共振能量轉移或者光子晶體實現窄帶寬的發射光譜；第三，利用納米結晶增強發光；第四，調節固態分子運動狀態優化發射和光熱效應；第五，通過封閉猝滅過程來啟動發射。除了上述挑戰外，AIE效應的潛在研究方向仍充滿未知，比如合理的AIE結構設計與合成、全面深入的功能機理闡釋以及AIE在能源、環境和生物醫藥領域的優勢確定。立足於AIE研究的眾多可能性，作者預測下一個十年將會有更多有價值的發現，為尚未解決的科學和技術問題提供解決方案，抓住AIE研究的巨大機遇，未來可期。
作者專訪
Cell Press細胞出版社特別邀請唐本忠院士代表團隊進行了專訪，請他為大家進一步詳細解讀。
CellPress：
通常人們認為凝聚態的有機發光團不利於螢光等發光現象的產生。然而，2001年問世的聚集誘導發光（AIE）效應卻顛覆了這一認知。請問唐院士團隊是如何發現這一極富研究價值的工作的？
唐本忠院士：
上世紀八十年代我讀研究生時，曾經合成過一個結構漂亮的含矽五元雜環分子，學名叫1,2,3,4,5-六苯基噻咯（HPS）。通過重結晶，我成功地長出了一塊很大的晶體。神奇的是，這塊晶體能像夜明珠一樣閃閃發光。我當時追求的目標是開發新型高分子聚合反應。我試圖用複分解反應催化劑將HPS的五元矽雜環戊二烯中心核打開實現開環聚合，但非常遺憾，我的嘗試失敗了。本世紀初，有機發光分子是材料研究領域的熱點方向。我重新想到了HPS，期望能通過合成含噻咯炔類單體而開發出一系列高效發光共軛聚合物。但我的學生告訴我，他合成的噻咯在有機溶劑中溶解後完全不發光。因為我自己做學生時就知道HPS晶體發光，感覺其中必有蹊蹺。通過與學生的討論，我們最終確認噻咯分子在稀溶液分散時不發光但在固態聚集後高效發光。如你所說，人們一般認為聚集不利於有機分子發光，而我們觀察到的現象卻恰好相反：不發光的分子通過聚集而實現發光。根據這個實驗現象，我們提出了聚集誘導發光（AIE）這個新概念。
CellPress：
在發現這一實驗現象後，唐院士團隊不僅深入研究了這一現象的本質機理，同時進一步拓展了AIE的應用範疇。請問在深入研究的過程中，曾遇到哪些問題，又是如何克服的？在研究過程中發現哪些有趣且值得關注的實驗現象？
唐本忠院士：
我們遇到的最大難題是如何理解AIE過程的工作機制。學術界早有成熟的理論解釋為什麼聚集對發光不利，而我們必須搞清為什麼聚集對發光有利。這是一個我們早期非回答不可的本質性機理問題。所以我們2001年夏天發表了第一篇AIE文章之後，一直進行機理方面的探討，因為我們知道，不搞清工作機制，AIE研究就無法起飛。我們讀了很多文獻，做了無數實驗，設想了各種可能性…… 經過大約一年半艱苦卓絕的努力，我們在2003年春天發表了兩篇關於AIE機理的文章，提出了分子內轉動受限（RIR）的工作模型。通過後續努力，逐步完善，我們現已將AIE機理擴展至分子內運動受限（RIM）。工作機制的理解促進了AIE研究的發展，現在人們已可利用RIM機理設計新AIE基元的結構和開發AIE效應的技術應用。AIE引出了許多新的研究方向，其中一個有趣且值得關注的課題是簇發光。2007年，我們在馬來酐和乙酸乙烯酯的交替共聚物中發現了奇特的AIE現象。我們稱其奇特，是因為這種共聚物不含任何大π電子共軛體系甚至不含一個簡單的芳香環！這個實驗觀察令人興奮亦使人困惑。我們整整花了八年的時間去探索，直到2015年我們才終於用電子空間相互作用和簇發光過程對其進行了合理解釋。這種簇發光AIE體系將有機發光材料擴展至非π電子共軛體系，極具科學價值和應用潛力。
CellPress：
文中提到通過將蒽或者芘分子修飾在四苯基乙烯（TPE）分子上，就可輕鬆實現從聚集導致猝滅（ACQ）到聚集誘導發光（AIE）的轉變。因此我們想知道哪些分子是實現AIE現象的首選分子，這類分子通常具備哪些特徵？
唐本忠院士：
如上所述，根據我們提出的分子內運動受限（RIM）機理，任何「活蹦亂跳」的非平面分子都有可能顯示AIE效應。何謂「活蹦亂跳」？就是分子結構柔軟，其組成單元在單分子狀態可自由運動。1,1,2,2-四苯基乙烯（TPE）就是具有這種結構特徵的典型例子：在激發態，整個TPE分子都可相當自由地快速運動，包括外圍苯環和中心雙鍵的轉動和震動。在自由單分子狀態，TPE激子通過這種分子內運動非輻射躍遷回到基態，因而不發光。但當多個TPE分子聚集在一起後，分子運動變得困難，非輻射躍遷通路受堵，大部分激子通過輻射躍遷回到基態，從而高效發光。
CellPress：
AIE為新型光學材料開闢了新的設計思路和發展路徑，並且AIE分子在光電子器件製造、環境監測、生物傳感與成像等領域有著廣闊的應用前景。請唐院士淺談AIE研究今後的發展機遇與挑戰。
唐本忠院士：
AIE研究方興未艾，充滿機遇與挑戰。我們剛剛踏上這塊沃土，前面的路還很長。我這裡不談具體路徑細節，只從大局著眼探討一下AIE研究的發展方向。我們知道，還原論將整體還原成個體進行研究；在這種方法論的指導下，人們構築了一整套分子科學研究體系。聚集體是由微觀分子在介觀區域集合而成的混合物。人們對微觀世界有深入的研究，但對介觀世界卻知之甚少。分子科學教導我們：分子結構決定物質性質。而AIE研究證明：聚集體作為一個整體不只是個體分子的線性組合，前者的行為或性質不一定是後者的簡單外推。大量分子聚成一體可帶來質的變化，這種整體大於個體之和的非線性突現效應符合馬克思關於量變產生質變的哲學思想，亦揭示出還原論處理複雜體系所面臨的尷尬與窘境。我們期待以AIE研究為契機，建立起適合介觀科學研究的認識論和方法學，在更高的維度加深對客觀世界的理解和自然規律的掌握。
CellPress：
AIE作為一個首次由中國科學家發現的奇特發光現象，自問世以來，吸引著國內外眾多科學家的研究熱情。在這個知識時代，首創就意味著佔領研發高地，並在後續的研發過程保持領先地位。請唐院士就年輕一代的科研學者如何開展富有意義和價值的研究工作，提出您的幾點建議。
唐本忠院士：
每個人都想做有價值的研究工作，但各個領域的情況不一樣，個體差異大，因此很難有放之四海而皆準的法寶。這裡謹與年輕學者分享一下我多年來從事科學研究的一點心得體會。
（一）「太陽底下無新事」。事物的發展往往是從漸變到突變、從進化到革命。因此不要異想天開，以為石頭裡真能蹦出一個孫猴子。無中不會生有，世界上沒有無人做過的事。司空見慣的現象中也許蘊藏著重大的科學問題。從熟悉的工作開始，在前人工作的基礎上向前發展。努力從常規中尋找突破，把尋常變成不尋常。
（二）「思人所未思」。遇到很難或無法用常理解釋的「反常」現象時，不要知難而退、繞道而行。「反常」意味著機會，突破源自於「異常」。有時不妨做些偏離常識的逆向思考，嘗試從不同的角度提出問題、解決問題。「眾裡尋他千百度「，答案卻有可能在人們意想不到的」燈火闌珊處「。
（三）「魔鬼在細節」。重大發現往往隱藏在微小的細節中；不幸的是，學生經常會認為這是一些無足輕重的小事而不向你匯報。因此，年輕學者不要過早地脫離研究一線，儘量在實驗室與學生一起摸爬滾打，儘可能全面地了解實驗細節，不讓稍縱即逝的機會從你身邊溜過。
（四）「融會貫通」。有些東西，分開看似乎簡單無趣，放在一塊卻可成奇珍異寶。這就要求我們涉獵面廣，鑑賞力強，懂得善用「拿來主義」。不管新舊，不管領域，不管是誰做的，只要有用，就應「拿來」為自己的研究服務。把不同領域的東西巧妙地組裝起來，可繪出最新最美的圖畫。
（五）「持之以恆」。天道忌巧，天道忌二。做研究不可投機取巧，不可三心二意，不可打一槍換一個地方。「吾生也有涯，而知也無涯」。蜻蜓點水似地做無數件事，不如集中精力做好一兩件事。要瞄準一個方向，深耕細刨，努力爭取做出打上自己標籤的學術品牌。
論文作者團隊介紹
唐本忠
院士
唐本忠，中國科學院院士，香港科技大學張鑑泉理學教授、化學系與生物醫學工程系講座教授，華南理工大學-香港科技大學聯合研究院院長。1957年出生於湖北省潛江市；1982年於華南理工大學獲學士學位，1985年、1988年先後獲日本京都大學碩士、博士學位；曾在多倫多大學從事博士後研究工作。1994年加盟香港科技大學，2009年增選為中國科學院院士，2013年入選英國皇家化學會Fellow，2015年在華南理工大學人體組織功能重建國家工程技術研究中心支持下獲批香港分中心，並任主任一職。現為科技部973計劃項目首席科學家、國家自然科學基金基礎科學研究中心項目負責人、廣東省引進創新科研團隊帶頭人、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室學術委員會主任。
劉斌
教授
新加坡國立大學教授，化學與生物分子工程學院系主任，新加坡工程院院士，亞太材料科學院院士，英國皇家化學會會士。同時也為十幾份化學與材料學權威期刊擔任編務顧問。致力於共軛聚合物發光材料、聚集誘導發光材料等在生物醫學及能源中的應用研究，其成果多次發表在國際一流期刊，連續多年榮獲科睿唯安「高被引科學家」稱號。
相關文章信息
論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Chem上，點擊「閱讀原文」或掃描下方二維碼查看論文
▌論文標題：
Catalyst: Aggregation-Induced Emission—How Far Have We Come, and Where Are We Going Next?
▌論文網址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(20)30241-2
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.05.018
閱讀原文