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荧光的发现与荧光染料的发展丰富了我们的生活并在生产实践中获得了重要的应用，在众多的荧光染料中聚集诱导发光材料作为荧光染料家族的新成员，近年来发展迅速。本文介绍了聚集诱导发光现象的发展历程、聚集诱导发光材料的应用及未来应用的展望。关键词：关键词：荧光染料；聚集诱导猝灭；聚集诱导发光 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Together We Shine Chaofeng Zhu,Guoyang Zhang,Zhuo Wang*College of Chemistry,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China.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.Key Words:Fluorescent dye;Aggregation-caused quenching;Aggregation-induced emission 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。No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202207118 57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。图图1 苝在不同比例的四氢呋喃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 时势造英雄时势造英雄 2.1 AIE问世问世 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)。图图2 六苯基噻咯在不同比例的乙腈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。58 大 学 化 学 Vol.38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。图图3 四苯乙烯分子内运动受限发光机理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)。3.1 指纹显影破奇案指纹显影破奇案 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。图图4 聚集诱导发光材料在各领域的应用聚集诱导发光材料在各领域的应用8 No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202207118 593.2 食品安全显神威食品安全显神威 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。60 大 学 化 学 Vol.384 结语结语 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。参参 考考 文文 献献 1 Ma,L.J.;Yang,S.;Ma,Y.F.;Chen,Y.Z.;Wang,Z.G.;James,T.D.;Wang.X.F.;Wang,Z.Anal.Chem.2021,93,12617.2 Liu,W.J.;Qiao,Q.L.;Zheng,J.Z.;Chen,J.;Zhou,W.;Xu,N.;Li,J.;Miao,L.;Xu,Z.C.Biosens.Bioelectron.2021,176,112886.3 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.2021,31,2102832.4 Priessner,M.;Summers,P.A.;Lewis,B.W.;Sastre,M.;Ying,L.M.;Kuimova,M.K.;Vilar,R.Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,23148.5 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 2022,8,1705.6 王晓驰,常刚,曹瑞军,孟令杰.化学进展,2015,27,794.7 Geng,Y.J.;Zhang,G.Y.;Chen,Y.Z.;Peng,Y.H.;Wang,X.F.;Wang,Z.Anal.Chem.2022,94,1813.8 Mei,J.;Leung,N.L.C.;Kwok,R.T.K.;Lam,J.W.Y.;Tang,B.Z.Chem.Rev.2015,115,11718.9 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.2001,18,1740.10 Gan,S.M.;Wu,W.B.;Feng,G.X.;Wang,Z.M.;Liu,B.;Tang,B.Z.Small 2022,18,2202242.11 Fu,W.;Yan,C.X.;Guo,Z.Q.;Zhang,J.J.;Zhang,H.Y.;Tian,H.;Zhu,W.H.J.Am.Chem.Soc.2019,141,3171.12 Shen,J.L.;Situ,B.;Du,X.C.;Wang,Z.M.;Hu,R.;Li,B.X.;Qin,A.J.;Tang,B.Z.ACS Sens.2022,7,766.13 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.2022,309,121257.14 Qin,Y.;Chen,X.H.;Gui,Y.X.;Wang,H.;Tang,B.Z.;Wang,D.J.Am.Chem.Soc.2022,144,12825.15 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.2022,34,2203309.16 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 2020,145,2311.17 Ai,K.L.;Liu,Y.L.;Lu,L.H.J.Am.Chem.Soc.2009,131,9496.18 Ma,K.;Li,X.;Xu,B.;Tian,W.J.Anal.Methods 2014,6,2338.19 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.2021,33,2006953.20 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 2014,8,12620.21 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.2020,92,14444.22 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.