聚集誘導發光：從“一種奇特的實驗現象”到“中國原創的科學領域”

劉勇 王志明 唐本忠

光是萬物生存不可或缺的重要條件，是促進人類進化和文明發展的最大動力。每一次對于光的本質理解的深化，每一次對于光的行為的更好操控，都會引發一場人類精神和物質層面的革命，進而重塑人類的思維模式和行為方法。

光本質上是一種電磁波，根據其產生機制的不同，可以分為三類：一是熱效應產生的光，例如太陽比它周圍環境的溫度高，太陽便會一直以電磁波的形式向外釋放能量，直到周圍的溫度和它一樣；二是物質內部帶電粒子加速運動所產生的光，同步輻射加速器工作時發出的光就屬于這一類；三是電子躍遷發光，例如熒光。

熒光物質的電子被電磁波能量激發而由基態進入激發態，電子由激發態回到基態而發出冷光，發光時間一般小于20納秒。關于熒光的最早記載可以追溯到1565年，由來自西班牙的醫生兼植物學家莫納德斯（N. Monardes）發現并記錄下來，牛頓等在17世紀再次觀察到熒光現象并給予更詳細的描述。然而，關于熒光現象的解釋卻要等到19世紀。1852年，斯托克斯（G. Stokes）發現螢石等物質在不可見的紫外光照射下可以發射出波長更長的可見光，并提出了“熒光”（fluorescence）這一術語。熒光的研究在20世紀進入爆炸式發展，研究人員對熒光的認識不斷加深，熒光的材料種類、激發方式、應用方向越來越豐富。

熒光材料和ACQ現象

熒光的產生方式有很多種，根據激發的方式可以分為光致發光、電致發光、化學發光、生物發光以及放射發光等。光致發光是指某些物質在紫外光、可見光或紅外光激發下產生另外一種波長的光的現象，例如紙幣、票據、商標等上的熒光圖案，在紫外燈的照射下可發出紅色、黃色、綠色等不同顏色的熒光。電致發光是指在直流或者交流電場的作用下，依靠電流或者電場的作用使物質發光的現象，例如電視、手機等電子設備中的OLED顯示屏，其發光層材料在注入電子后發光?；瘜W發光是指某些物質吸收化學反應過程中釋放化學能而發光的現象，例如現在醫院用于檢測腫瘤標志物、心肌標志物及感染標志物等的化學發光試劑盒，連接有抗體的魯米諾、吖啶酯等物質在檢測到標志物后在酶或者過氧化氫的作用下會發射光，通過光的強度可以測定靶標的含量。生物發光是一種生物體內合成的化學物質在特定酶的作用下化學能轉化為光的現象，如螢火蟲的發光。螢火蟲體內的熒光素酶催化天然底物熒光素、三磷酸腺苷、鎂離子和氧氣反應，將化學能轉化為光，其強度與蟲體內的氧氣濃度相關。放射發光是指某些物體在放射性同位素的放射線作用下發光的現象，比如夜光表，其表盤的熒光材料可在放射性物質氚的放射線作用下發光。

根據材質，熒光材料可以分為無機熒光材料和有機熒光材料。以稀土材料為代表的無機熒光材料具有吸收能力強、轉換率高、發光光譜窄及物理化學性質穩定等優點，廣泛應用于白光照明、平板顯示、光纖通信、生物成像及激光器等領域。而有機熒光材料具有原料來源廣泛、種類豐富多樣、結構和性質易調節、加工性能好、生物相容性好及材質輕薄柔性等優點，廣泛應用于光電顯示、化學/生物傳感、生物成像、有機激光、發光場效應晶體管及防偽打印等領域。

傳統的有機熒光材料通常在稀溶液中即溶解狀態下展現較好的發光性能，而一旦濃度增加或受到溶劑影響而聚集成固態，熒光則會因為分子間的相互作用而顯著減弱甚至消失，這種現象稱為“聚集導致發光猝滅（aggregation-caused quenching）”效應，簡稱為ACQ現象。

對于大部分應用場景，發光材料都是在聚集狀態下使用，從而導致有機熒光材料的應用領域和靈敏度受到限制。為減輕ACQ效應對材料發光效率的影響，科研人員采取了一系列化學、物理和工程的方法及手段來抑制分子間的聚集，包括將支化鏈、大環基團、樹枝狀或楔形結構基團等以共價鍵方式連接到芳香環上來阻止其聚集，或用表面活性劑包覆發光化合物，以及將其摻雜到透明聚合物介質中以減少分子間聚集?；瘜W方法常涉及煩瑣的合成步驟，且將大體積的側基連接到芳香環上會嚴重扭曲發光分子的構象并影響其共軛結構和發光波長與效率；而物理方法則要求精細的工藝控制，重現性較差，并且物理工藝中使用的包覆劑和聚合物通常不發光，因此它們的引入將稀釋體系的發光基元密度并妨礙電荷傳輸。

源頭創新：從ACQ到AIE

聚集是一個自發的內在過程，人為抑制聚集并不能從根本上解決有機熒光材料的ACQ問題。轉變下思路，如果能利用有機熒光材料的聚集來提高其在聚集態或固態下的發光強度，這將會是一條理想的途徑。2001年，我國科學家唐本忠團隊觀察到了一個奇特的現象：一些有機熒光材料在溶液中幾乎不發光，而在聚集狀態或固體薄膜下發光顯著增強。這種現象與傳統ACQ類發光材料的行為存在顯著不同，他們形象地將這種由于分子聚集而產生的“從無到有”或者發光大幅增強的光物理效應描述為“聚集誘導發光（aggregation-induced emission）”，簡稱為AIE [1]。

AIE概念的提出顛覆了人們關于發光材料“聚集導致發光猝滅”的傳統認知，為高效聚集態發光材料的設計提供了一條新的思路，因而得到了國際上化學、材料、生物、醫學等領域科學家的廣泛關注。據第三方機構愛思唯爾（Elsevier）基于Scopus數據全庫的統計，2001—2021年，全世界約有76個國家和地區，2200余家科研機構，23 900多名科研工作者從事AIE及相關領域的研究工作。AIE已經發展成為一個由我國科學家引領、國外科學家競相跟進的研究領域?；贏IE研究的原創性和國際引領性，“聚集誘導發光”獲得了2017年度“國家自然科學獎一等獎”。AIE技術也被國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）列為“2020年化學領域十大新興技術”之一。2020年，國際上第一本致力于報道聚集體科學相關基礎研究和應用研究前沿科技成果的期刊Aggregate（《聚集體》）創辦，目前已被全球最大的開放獲取期刊DOAJ數據庫、ESCI數據庫、Scopus數據庫等收錄。2023年，首個以AIE材料光物理數據為中心建立的聚集體科學數據庫（www.ASBase.cn）正式上線，并已收錄AIE分子1000余種，包含信息量超過4萬條。下一步，數據庫功能將進一步完善，基于大數據推出人工智能計算模型，實現AIE材料的光物理數據和應用預測，助推相關研發工作。

AIE材料的應用

AIE 的發現為聚集態或固態發光材料的設計提供了一條新思路。AIE材料的種類不斷豐富，迄今已有數千種AIE材料被設計出來，根據應用需求，可以通過對材料結構的設計實現發光顏色、熒光亮度、溶解性、功能基團以及手性等的調控。AIE研究也開花結果繁衍出諸多自成體系的新分支，如分子簇集發光、空間電子作用、非芳香共軛體系，以及基于固態分子運動的光熱和光聲效應等，而這些新領域的出現極大地加快了AIE研究向實際應用轉化的步伐。

AIE材料現已成功應用于細胞器成像、微生物成像、組織成像、活體成像、診療一體化、小分子傳感、蛋白質檢測、離子傳感、食品安全檢測、抗菌、指紋檢測、光電顯示等方向。

生物成像

AIE材料具有生物相容性好、光穩定性好、聚集態量子產率高、斯托克斯位移大、點亮型成像等特點，近年來已在細胞器成像、微生物成像、組織成像等生物成像領域取得廣泛應用[2]。傳統的熒光材料雖已在生物成像領域應用多年，但其聚集猝滅特性導致的一系列問題常常困擾著研究人員，同時，其背景信號高、洗滌過程復雜等缺點也備受詬病。AIE熒光探針通常具有“不聚不亮，越聚越亮”的特性，只有與特定靶標結合才會產生信號。這種點亮的特性不僅大幅度降低了成像的背景信號，而且簡化了生物成像的流程。此外，AIE熒光探針可以在高濃度下進行成像，不容易發生光漂白，可以對細胞、生物組織以及細菌等進行長時間觀測。目前，研究人員已開發出多種適用于線粒體、溶酶體、內質網、脂滴、細胞核等細胞器的AIE熒光探針，并利用這些探針觀測到了各種細胞器的精細結構、細胞分裂過程中染色體的變化、細胞代謝過程中細胞器的自噬與融合、細胞凋亡過程中的特定結構變化等。

細菌、真菌等微生物會通過接觸、空氣傳播、食物及水等途徑感染人類并導致破傷風、肺炎及腸胃炎等疾病，因此對微生物的檢測一直是基礎及臨床研究的熱點及重點。AIE熒光探針能有效鑒別細菌和真菌，區分活菌與死菌，區分革蘭氏陰性菌與陽性菌，具有高選擇性、高親和性及快速響應性，能直接對生物樣本進行檢測并在15～30分鐘內獲得檢測結果，實現對微生物的快速可視化檢測。

在組織成像領域，近紅外激發/發射的AIE材料具有抗自體熒光干擾、組織穿透能力強及組織光損傷小等優勢，已被報道用于腦部血管成像、深層次腫瘤成像及多種活性物種的體內追蹤等。此外，AIE熒光材料還在疾病治療領域嶄露頭角，包括光熱治療、光動力治療、藥物治療、結合傳統癌癥治療方式的聯合治療等。

生物傳感

AIE熒光探針對生物體內的一些化學物質（如活性氧、硫醇、離子等）、生物大分子等的檢測具有靈敏度高、速度快、無破壞性等特點，在生物傳感領域展現出巨大的潛力。

過氧亞硝基陰離子（ONOO-）是一種高活性的活性氧物質，與炎癥、肝損傷、神經退行性疾病、癌癥等疾病密切相關。研究人員設計并合成了一種ONOO-與環境pH雙響應的余輝發光AIE熒光探針，在生理pH下的ONOO-作用下，納米探針表現出激活的近紅外余輝發光[3]。在患病動物模型的體內研究中發現，該探針能夠敏感地揭示急性皮膚炎癥的發展過程，并能夠快速準確地區分過敏和炎癥，以及快速篩選能誘導免疫原性細胞死亡的抗腫瘤藥物。阿爾茨海默病是一種嚴重的中樞神經系統變性病，全球60歲以上的人群中有5%～8%患有阿爾茨海默病，大腦中β-淀粉樣蛋白（Aβ）斑塊被認為是阿爾茲海默病早期診斷和治療的重要病理學標志。研究人員發現AIE熒光探針可以有效突破血腦屏障并與Aβ斑塊結合，具有優異的光穩定性和超高的信噪比，可進行高保真度的組織學染色[4]。

此外，尿液中的人血清白蛋白含量與糖尿病、高血壓、腎功能失調等疾病緊密關聯，尿液中白蛋白的檢測對相關疾病的早期診斷具有重要價值。研究人員設計并合成了一種可以靶向性地結合尿液中的白蛋白的水溶性AIE熒光探針，該探針具有檢測限低、靈敏度高、響應速度快、特異性強及成本低等優點，在臨床檢測上具有一定的應用前景[5]。

化學傳感

在過去的十幾年里，通過設計不同的識別機制和分子結構，AIE熒光探針成功實現了對陰離子、金屬離子、有機小分子等的識別和檢測，且具有背景噪聲低及檢測效率高等優點。陰離子表面活性劑廣泛應用于建筑、電鍍、日用品等領域，然而其進入水體后會破壞水中微生物的平衡，影響水生生態環境的健康，甚至對人體健康構成潛在威脅。AIE熒光探針能有效檢測出水中陰離子表面活性劑的含量，在1分鐘內即可對濃度低至0.1毫克/升的表面活性劑進行響應。在紫外激發下，含有表面活性劑的水溶液發出紅色熒光，其熒光強度與污染物濃度呈線性關系。

隨著現代工業社會的發展，重金屬污染已成為最嚴重的環境生態污染之一，其中汞離子作為一種劇毒污染物，不僅會破壞人體的新陳代謝，而且會損傷中樞神經系統和免疫系統，對人類生命健康構成嚴重威脅。研究人員設計了一種比率型汞離子傳感AIE熒光探針，該探針在沒有結合汞離子前發出微弱藍色熒光，加入汞離子后發生快速反應，藍色熒光逐漸降低而紅色熒光增強，檢測限低于美國環境保護組織規定的飲用水汞含量標準[6]。

食品腐敗變質后不僅營養價值會降低，且會產生影響人體健康的有害物質。魚類和肉類等食品的腐敗過程主要以蛋白質的分解為主，會產生多種有毒的生物胺，因此生物胺是常用的評價肉類新鮮度的指標之一。研究人員基于AIE熒光材料開發出一種便攜式熒光傳感器，該傳感器檢測到生物胺時會發出明亮熒光，不僅特異性高且檢出限低至8.4毫克/升，成功實現了對生物胺的高靈敏檢測[7]。

體外診斷

體外診斷是指在人體之外，通過對人體樣本（血液、體液、尿液、唾液、組織等）進行檢測而獲取臨床診斷信息，進而判斷疾病或機體功能的產品和服務，被稱為“醫生的眼睛”。體外診斷系統主要由診斷儀器和診斷試劑構成，目前相關儀器和試劑的單光子計數模塊、激光器等核心元器件和抗體、微球等原材料嚴重依賴進口。其中，微球是尺寸在幾十納米到幾十微米之間的有機或者有機-無機復合小球，是磁微?；瘜W發光、膠乳免疫比濁、免疫熒光、液相芯片、核酸提取等試劑的關鍵材料與反應載體。微球制備過程中對粒徑大小、粒徑均一性、磁性強度、熒光強度、批次穩定性及表面官能團含量的控制難度非常高，因此總體國產化率較低?；贏IE材料，研究人員已經成功開發不同粒徑（50納米到10微米）、不同光色（藍色、綠色、黃色、紅色、近紅外等）和含不同官能團（羧基、氨基、環氧基等）的熒光微球，粒徑的批內和批間的均一性變異系數控制在5%以內，單批次可以生產100升?；贏IE熒光微球開發的免疫熒光層析試紙條已成功應用在C反應蛋白等炎癥標志物、肌鈣蛋白T等心肌標志物、登革熱等傳染性病毒、毛發中冰毒等毒品的檢測中，部分產品已經取得醫療器械注冊證，未來可期。

功能材料

抗菌材料能有效抑制細菌生長，防止傷口感染，促進傷口愈合，在創傷康復、手術傷口管理、燒傷和潰瘍護理等中廣泛使用。國際著名學術期刊《柳葉刀》（The Lancet）發表的數據顯示細菌感染已成為全球第二大死因，有1/8的死亡與此相關，因此研發具有優良性能的抗菌材料是重要的生物醫用材料發展方向。AIE材料在光照時能高效產生活性氧，打破細菌內的抗氧化機制從而有效殺死細菌。研究人員基于手持式靜電紡絲裝置成功開發了一種抗菌AIE納米纖維敷料，可直接靜電紡絲到不規則的傷口部位，對金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球等具有高效的抗菌活性[8]。

指紋具有唯一性，自20世紀初以來，指紋分析已經成為法庭科學鑒定罪犯的有力工具，在犯罪現場的指紋恢復和再現在法庭科學中至關重要。 研究人員基于AIE材料開發出一種熒光磁性指紋粉[9]，該試劑具有熒光亮度強、分辨率高和黏附性良好等特點，其熒光亮度可達普通熒光粉末的幾十倍，彌補了現有熒光磁粉在與粉末顏色相似背景下顯現指紋效果差的缺陷，已協助公安機關破獲多起案件。

光電顯示

有機發光二極管具有柔性可折疊、響應速度快、視角范圍大、發光效率高等優點，廣泛應用于智能手機、平板電視、穿戴顯示、工控設備顯示等領域，需求不斷增大，是新一代信息技術的先導性支柱產業。

研究人員將上轉換發光材料與具有熱激子特性的AIE材料相融合，不僅可以有效減小高能級三線態激子的損失，還可以促使三線態激子通過多通道過程返回單線態進行發光，從而實現了AIE非摻雜藍光器件的性能突破，最大外量子效率為10.3% [10]。研究人員通過新的氧橋關環設計策略，構筑具有弱吸電子性能的剛性電子受體基團，開發了高性能藍光及深藍光AIE材料：非摻雜器件在發射波長470 納米處的外量子效率達21.6%，具有極小的效率滾降；材料在20wt%的摻雜濃度下器件外量子效率高達43.4% [11]。

有機發光二極管中的發光層材料是核心功能層材料，目前主要被日本、韓國、美國、德國等國家的相關化學品公司壟斷，我國總體處于起步階段，亟須發展具有自主知識產權的低成本、高性能材料。

總結與展望

AIE現象的發現是偶然的?？茖W家們圍繞這一現象不斷研究，深入挖掘，已經開發出數千種AIE材料，并不斷拓展其在生物成像、生物傳感、化學傳感、體外診斷、功能材料、光電顯示等領域的應用，從基礎理論、材料研發及技術應用等多個維度持續創新和突破，已經在全世界范圍內產生巨大影響。創新是科學的源頭，是第一動力，是我國高質量發展的引擎，是贏得未來的關鍵。如何維持我們在該原始創新領域的領跑地位，將具有中國自主知識產權的AIE材料體系運用到現實問題的解決中，去解決我國在關鍵原材料和器件等領域的卡脖子問題，為我國的質量變革、效率變革和動力變革服務，將是相關工作者們的下一步挑戰和不可推卸的責任。

[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 nearinfrared 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 watersoluble 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 aggregationinduced 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 recordbeating electroluminescence efficiencies of 43.4%. Nature Communications， 2023， 14（1）： 2019.

關鍵詞：聚集誘導發光 AIE材料 固態發光材料 ■