刘斌教授、唐本忠院士: 聚集诱导发光（AIE) 研究的历程回顾与未来展望

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为庆祝聚集诱导发光 (AIE) 研究二十周年的到来，新加坡国立大学刘斌教授与香港科技大学唐本忠院士共同撰文回顾了AIE研究历程中的若干里程碑工作，并对其未来的研究方向进行了展望。相关论文发表在Cell旗下的《Chem》期刊上 (Aggregation-Induced Emission—How Far Have We Come, and Where Are We Going Next? Chem, 2020, 6, 1195)。

在二十世纪的光物理学研究中，聚集导致荧光猝灭(aggregation-caused quenching 或concentration quenching，ACQ) 犹如悬挂在荧光材料之上的达摩克利斯之剑，这一时期的研究学者发现，大部分的有机生色团在高浓度或聚集态时都会发生荧光猝灭，而这一痼疾严重阻碍它们作为发光材料的实际应用。2001，唐本忠院士团队偶然发现，1,2,3,4,5-五苯基噻咯在其单分散溶液中几乎没有荧光，而在聚集态时表现出强的荧光发射，该团队将这一反常现象命名为聚集诱导发光 (Aggregation-Induced Emission, AIE)。而正是这一偶然发现为光物理领域打开了一扇亮窗，赋予了发光材料新的生命和活力。二十年的辛苦耕耘使AIE在基础科学和应用科学领域取得了举世瞩目的成绩。在本文中，作者从如下三个方面介绍了这二十年间为AIE的发展奠定了坚实基础的里程碑工作: 

(1) AIE概念的提出; 

(2) AIE概念的进一步巩固及其优势应用的开发; 

(3) AIE研究向实际应用中的拓展 (图1)。

图1. 二十年间在AIE研究领域的里程碑工作部分罗列。

在第一阶段的发展中 (2001-2003)，AIE的概念被提出并逐渐引起了大家的注意。同时，伴随着分子内旋转受限 (restriction of intramolecular rotation, RIR) 机理的提出, 使大家意识到这一概念背后隐藏着的巨大科学问题。在第二阶段的研究中 (2003-2010)，AIE的体系扩展到高分子领域，并且AIE领域中的明星分子四苯基乙烯 (TPE) 也在这一阶段被报道。借助于TPE优异的AIE性能和简单的合成步骤，人们发现通过在传统ACQ分子中引入TPE分子可以将其转化为AIE生色团，这极大改善了传统材料的应用困境。随着研究的逐渐深入，有众多的AIE衍生现象也如雨后春笋般涌现出来，如结晶诱导发光 (crystallization-induced emission, CIE), 基于CIE的室温磷光 (room-temperature phosphorescence, RTP), AIE的力致发光和机械变色等。同时，AIE材料逐渐被应用到生物和光电领域并表现出极大的优势。在这一阶段，AIE的发展日臻成熟并逐步进入国际研究舞台，这在整个AIE的发展历程中起到了至关重要的促进作用。在AIE发展的第二个十年中 (2010-2020)，AIE的机理被不断完善并逐渐形成了以分子内运动受限 (restriction of intramolecular motion, RIM) 为核心，其他机理为辅助的理论模型。同时，AIE研究也开花结果繁衍出诸多自成体系的新分支，如: 簇集发光 (clusterization-triggered emission, CTE)、空间共轭 (through-space conjugation, TSC), 基于固态分子运动的光热和光声效应和聚集诱导产生活性氧物种 (aggregation-induced generation of reactive oxygen species, AIG-ROS) 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，尤其是在临床前的诊断和治疗方向具有巨大的应用前景。二十年的发展使AIE具有了广泛的国际影响力，目前有超过80个国家的1600个研究团队在从事AIE方向的研究。

在文章的最后，作者又对未来AIE发展中存在的机遇与挑战作出了展望。首先提出了目前面对的五个挑战: 

(1) AIE分子扭转的结构导致较短的吸收波长; 

(2) 激发态柔软的分子构象导致较宽的发射光谱; 

(3) 依赖于分子堆积方式的发光强度; 

(4) 无规的固态分子运动导致不理想的发光和光热效应; 

(5) 固态下的强荧光发射限制了AIE材料作为点亮型试纸条的使用。

针对这些挑战，作者也提出了一些针对性的解决方案: 

(1) 通过引入供-受体结构或利用非线性光学效应实现长波激发; 

(2) 利用福斯特共振能量转移 (FRET) 或光子晶体窄化发射光谱; 

(3) 通过纳米晶化效应增强荧光强度; 

(4) 通过有效调控固态分子运动去优化发光和光热效应; 

(5)通过引入光致电子转移和扭转的分子内电荷转移效应来实现点亮型的固态荧光。

同时，作者也总结了未来最有潜力的三个研究方向: 

(i) 合理的分子设计策略以及多功能AIE材料的开发;

(ii) 从最基础的角度出发去全面阐述AIE的相关性质; 

(iii)大力开发AIE在能源、环境和生物医药领域的应用，继续保持并扩大AIE的研究优势。

新加坡国立大学Kenry博士，现哈佛医学院丹娜—法伯癌症研究所研究员为本文第一作者，刘斌教授和唐本忠院士为共同通讯联系人。该研究由国家自然科学基金国际合作项目、新加坡国家研究基金竞争性研究计划、新加坡国家研究基金Investigatorship以及新加坡国立大学等项目以及单位的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420302412 

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