科普大赛 | 聚集诱导发光(AIE):照亮材料科学的新领域

学术   2024-10-21 09:00   吉林  

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(可用作封面,来自参考文献1)






前言

在现代科技的快速发展中,发光材料扮演着越来越重要的角色。从日常生活的照明到高端科技的生物成像,它们无处不在。然而,传统的荧光材料在聚集或固态时往往会遇到荧光减弱的问题,这一现象被称为“聚集导致荧光猝灭”(ACQ)。幸运的是,科学家们发现了一种新型的发光现象——聚集诱导发光(AIE),它不仅解决了ACQ的问题,还为发光材料的研究和应用开辟了新的道路[1]





荧光材料的挑战:ACQ现象

图为ACQ现象展示(图片来源来自参考文献1

传统的荧光材料在稀溶液中表现优异,但当它们聚集或形成固态时,荧光强度会显著下降,这种现象就是ACQ现象[2]。ACQ现象限制了荧光材料在实际应用中的性能,尤其是在需要使用聚集态或固态形式的场合,如发光二极管(LED)和某些化学检测中。


ACQ现象的产生与分子间的相互作用有关。在稀溶液中,分子间距离较大,荧光分子可以自由地发射光。但当分子聚集时,它们之间的距离减小,分子间的非辐射能量转移增加,导致荧光效率下降。这种现象在有机发光材料中尤为明显,因为它们的平面共轭结构在聚集时容易发生π-π堆积,进一步加剧了荧光猝灭。





AIE现象的发现与机理

图为AIE现象展示(图片来源来自参考文献1


2001年,唐本忠教授课题组在研究中意外发现了一种与ACQ现象截然相反的现象。他们发现某些噻咯分子在稀溶液中几乎不发光,但在聚集状态或固体薄膜下发光大大增强,这种现象被称为AIE[3]。AIE现象的发现为有机发光材料的研究带来了新的希望。


AIE现象的机理与ACQ不同。要理解AIE现象,我们需要从荧光发光的基本原理说起。发光是物体将吸收的能量转换为光辐射的过程。当物质受到光照等激发后,如果能量以光的形式辐射出来,这就是发光。荧光是一种快速的发光过程,激发与发射之间的时间间隔小于10-8秒。

荧光的产生涉及到分子从基态到激发态的跃迁,然后从激发态返回到基态时释放出光。但是,能量的耗散途径不仅限于辐射(荧光、磷光),还包括非辐射耗散途径,如分子内旋转、基激复合体形成等。这些非辐射途径与荧光途径形成竞争,影响发光效率。在稀溶液中,AIE分子可以自由旋转或振动,通过非辐射途径消耗能量。但当它们聚集时,分子间的运动受到限制,非辐射能量转移的途径被封死,能量只能通过辐射跃迁(即发光)释放,从而产生强烈的荧光。


AIE与ACQ现象的本质区别在于分子结构和分子间的相互作用。AIE分子通常具有多个单键连接的苯环,这些苯环在稀溶液中可以自由旋转或振动,通过非辐射途径耗散能量。而在聚集状态下,苯环的运动受到限制,迫使能量通过辐射跃迁释放,产生荧光。相反,ACQ分子通常是具有大平面结构的稠环化合物,它们在分散态时具有较强的荧光。但当这些分子聚集时,由于π-π堆积导致的分子间能量转移,荧光会减弱甚至消失。

图为典型的具有聚集诱导室温磷光性质的分子
(图片来源http://www.progchem.ac.cn


典型的AIE分子包括六苯基噻咯、四苯基乙烯、四苯基硅、二苯基吲哚、1,4-二(2-(4-(1,3,5-三甲基-2,4,6-三苯基-1H-吡啶-4-基)苯氧基)乙基)苯、多环芳烃、噻吩并噻吩、吡咯并吡咯、四苯基噻吩和二苯基氨基苯并噻吩 [4]这些分子通常具有苯环或其他平面结构,它们的聚集诱导发光特性不仅在科学研究中具有重要价值,而且在生物成像、智能材料、光电器件、环境监测、信息安全、农业应用以及能源存储等多个领域展现出广泛的应用潜力。随着对AIE现象的深入理解和分子设计的不断创新,这些材料有望在未来的科技发展中发挥更加关键的作用。





AIE材料的应用前景

AIE材料的应用
(图片来源https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00263 


AIE材料的应用前景是多方面的,它们在科技和工业领域中的潜力正在逐渐被挖掘和实现[5]。AIE材料在生物医学成像方面的应用尤为突出。它们可以作为荧光探针,用于细胞器的特异性成像和生物分子的追踪。与传统的荧光材料相比,AIE材料在生物体内的成像具有更高的信噪比和更低的光漂白性,这使得它们在长时间成像和活体成像中具有优势。此外,AIE材料还可以用于疾病标志物的检测,为疾病的早期诊断和治疗提供了新的工具。香港中文大学唐本忠院士团队联合复旦大学附属上海市公共卫生临床中心彭琛副研究员报道了一种普适性的策略用于制备有机-无机杂化的AIE核壳纳米颗粒[6]。这种纳米颗粒在A549荷瘤小鼠模型中实现了核磁共振和荧光的双模态成像。此外,以TA/Cu2+复合物为壳的AIE纳米颗粒(2TPEA-AQ@AIE-TCu dots)还实现了在斑马鱼血管系统中血液循环过程的实时可视化,体现了这种纳米颗粒在血液中的长循环和抗污能力。


AIE材料的聚集特性使其在药物载体领域具有潜在的应用价值。它们可以作为药物的载体,通过控制药物的释放来提高治疗效果。AIE材料的聚集态可以保护药物分子,减少在体内的早期降解,同时在特定的刺激下(如pH值变化、酶的作用等)释放药物,实现靶向治疗。深圳大学AIE研究中心王东副教授等提出了一种基于刺激响应的纳米胶束作为AIE光敏剂的载体来增强光动力治疗(PDT)效应的新策略[7]。该纳米颗粒具有良好的生物相容性、高的负载效率、优异的成像功能,以及肿瘤微环境响应性和显著的PDT性能提升,使其显著优于商业化的纳米胶束,为荧光成像与光动力治疗的癌症诊疗一体化提供了一个理想的模板,同时也为临床试验提供了一个有希望的候选对象。


AIE材料的智能响应特性使它们在智能材料领域具有广泛的应用潜力[8]。例如,它们可以用于开发智能窗户,通过响应环境光线的变化来调节透光率,从而节省能源。此外,AIE材料还可以用于开发智能纺织品,通过响应温度或压力的变化来改变颜色或形状,为可穿戴设备提供新的可能性。武汉纺织大学的严坤和王栋教授将纳米氧化还原碳点与非传统 AIE 多糖耦合在用于医疗保健传感系统的智能织物上的研究工作[9]。涂层改性后的智能湿巾对H2O2和Fe3+等生物物种具有出色的传感能力,并具有可持续的抗菌特性。


AIE材料在光电器件中的应用正在不断扩展[10-11]。除了在OLED显示和照明中的应用外,AIE材料还可以用于开发太阳能电池、光电探测器等。它们的高发光效率和良好的电荷传输特性使其在这些领域具有潜在的优势。广东工业大学冯星博士与华南理工大学赵祖金教授、香港中文大学(深圳)唐本忠院士合作,设计合成了一类Y-型芘基聚集诱导发射蓝光材料[12]。此工作结合芘基AIE发光材料在OLED器件的优势,利用“热激子机制”,以提高OLED器件的EL性能,既是对前期工作的延续,也为构建具有高激子利用效率的芘基 AIE发光材料制备高效率的蓝色 OLED 提供了新的思路,拓宽了芘基AIE材料在有机光电器件的应用。


AIE材料在信息安全领域也有独特的应用[13]。例如,它们可以用于开发防伪标签和安全油墨,通过AIE材料的荧光特性来提供难以伪造的安全特征。此外,AIE材料还可以用于数据存储,通过控制荧光的开启和关闭来实现信息的写入和擦除。香港科技大学唐本忠院士和张浩可副研究员团队联合哥本哈根大学Mogens Brøndsted Nielsen教授课题组,对一系列二氢薁(Dihydroazulene)衍生物的AIE性质及光致荧光响应性进行了详细研究,并提出了一种具有多重特征的信息加密系统。作者巧妙地将二维码、荧光图案、微米级的细节特征以及时间/温度分辨的变化结合起来,提出并设计了一种基于二氢薁衍生物的多重信息加密模块。该模块不仅能够实现对存储温度和时间响应的动态变化,还能够实现对信息的可控擦除和重复利用。

图为ACQ现象展示(图片来源来自参考文献14






总结

AIE现象的发现不仅解决了传统荧光材料在聚集态下的荧光猝灭问题,而且为发光材料的研究和应用提供了新的方向。随着对AIE材料的深入研究,我们可以期待在未来的科技领域,如生物医学成像、智能材料、OLED技术等,AIE材料将发挥越来越重要的作用。这一领域的研究不仅具有理论价值,而且具有广阔的应用前景,有望为人类社会带来更多的光明和便利。





   参考文献  



  1. 毛慧灵,董宇平,唐本忠.越聚集,越发光[J].科学世界,2017,(5):82-87.

    2.      赵秋丽,杨庆浩.传统生色团的改造:从聚集导致荧光猝灭到聚集诱导发光[J].功能材料,2015,46(14):14001-14011.

    3.      Luo J, Xie Z, Lam J W Y, et al. Aggregation-Induced Emission of 1-Methyl-1,2,3,4,5-pentaphenylsilole[J]Chem Commun,2001,18:1740–1741.

    4.      鲁会名,马拉毛草,马恒昌.超分子聚集诱导发光材料的研究进展及展望[J].有机化学,2023,43(12):4075-4105.

    5.      Mei J, Leung N L C, Kwok R T K, et al.Aggregation-induced emission: together we shine, united we soar![J]. Chem Rev,2015, 115(21): 11718-11940.

    6.      Xu C, Peng C, Yang X, et al. One-pot synthesis of customized metal-phenolic-network-coated AIE dots for in vivo bioimaging[J]. Adv Sci, 2022, 9(11): 2104997.

    7.      Li Y, Wu Q, Kang M, et al. Boosting the photodynamic therapy efficiency by using stimuli-responsive and AIE-featured nanoparticles[J]. Biomaterials, 2020, 232: 119749.

    8.      胡馨.聚集诱导发光缓控释纳米载药体系构建和生物效应评价研究[D].南昌:南昌大学,2023.DOI:10.27232/d.cnki.gnchu.2023.004655.

    9.      Yang X, Yan K, Yang C, et al. Coupling nano-redox carbon dots with nontraditional AIE-polysaccharides on a smart fabric for healthcare sensing systems[J]. Chem Eng J, 2023, 478: 147402.

    10.    朱钰青.基于二苯乙烯类聚集诱导发光分子的刺激响应智能材料设计合成及应用[D].金华:浙江师范大学, 2023. DOI: 10.27464/d.cnki.gzsfu. 2023.000759.

    11.    越柏玲,解增旗,路萍,等.聚集诱导发光分子的光电功能与器件应用[J].中国科学:化学,2013,43(09):1065-1077.

    12.    Zeng J, Qiu N, Zhang J, et al. Y‐shaped pyrene-based aggregation-induced emission blue emitters for high-performance
    OLED devices[J]. Adv Optical Mater, 2022, 10(19): 2200917.

    13.    Xing L, Li G, Sun Y, et al. Dual-emitting cellulose nanocrystal hybrid materials with circularly polarized luminescence for anti-counterfeiting labels[J]. Carbohydr Polym, 2023, 313: 120856.

    14.    Zhang J, Shen H, Liu X, et al. A
    dihydroazulene‐based photofluorochromic AIE system forrewritable 4D information encryption[J]. Angew Chem Int Ed, 2022, 61(37):e202208460.



审稿人意见

1、题目为“聚集诱导发光(AIE):照亮材料科学的新领域”,建议对国内外研究进展充分论述,参考文献充分且时间节点由远及近较好,对于近三年或五年的最新研究进展可重点展开。在叙述应用领域时,最好图文并茂展现。
2、典型的AIE分子附上结构可能会更好更清晰。



作者:史湘绮

作者单位:华中科技大学

作者邮箱:d202281426@hust.edu.cn

审稿人:刘大颖

编辑:朱真逸


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