[高分子材料] 唐本忠院士团队《JACS》：离子-π相互作用,聚集诱导发光分子构建的新策略

领军人物唐本忠：原创概念引领光+料发展
图/新华社
唐本忠$ 1957年2月生于湖北潜江，籍贯湖南津市，香港科技大学讲座教
授、英国皇家化学会会士。

1982年毕业于华南理工大学高分子化工系，1985
年、1988年先后获日本京都大学硕士及博士学位。

曾在加拿大多伦多大学从事
博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。

2009年当选为中国科
学院院士。

唐本忠长期致力于高分子合成方法论的探索、先进功能材料的开发以及聚
集诱导发光(A IE)现象的研究。

发明了合成炔类聚合物的新催化体系，开拓了从
炔类单体制备线性和超支化高分子的新聚合途径，制备了一系列具有光、电、
磁、热和生物活性的新功能材料。

发现了反常的A IE现象,解释了 A IE过程的机
理，并将A IE效应有效地应用到发光器件、化学检测和生物传感等技术领域。

作为A IE概念的提出者和研究的引领者，唐本忠累计发表学术论文约
1000篇，引用50 000余次。

2018年，凭借在“聚集诱导发光”领域的开创性贡
献，唐本忠团队获得2017年度国家自然科学奖_等奖。

发明与创新2018.2 |1。

聚集诱导发光材料的合成及其应用研究聚集诱导发光材料（Aggregates-Induced Emission，简称AIE）是近年来新兴的材料研究领域，与传统的荧光材料不同的是，AIE材料表现出强烈的发光性能，而且在形成聚集态时发光效率更高。

AIE材料在生物成像、传感、光电器件等领域有广泛的应用前景。

一、AIE结构特点及合成方法大多数荧光材料在溶胶态时显示出强烈的发光性能，但若这些材料被聚集，发光通常会受到猝灭或淬灭。

而AIE材料也称“发光外显材料”，是集成分子与聚集体的优点，表现出溶胶态时不发光、而在聚集态下发光的特性。

这种现象被认为是聚集态下材料分子之间紧密堆积导致的。

因此，AIE模式中聚集诱导发光是以空间抑制机制为基础的。

通过设计有机分子的结构与构造形态，可以合成出具有AIE性质的材料。

目前常见的AIE材料合成方法有以下几种：1. 活性质子化或活化酯合成法。

这种方法利用弱酸或酯可以酸催化开环等特性，将AIE分子的极性、荷电性等结构进行改变从而获得发光性质。

2. 亲核性开环聚合法。

该方法通过亲核性开环聚合反应，使分子在组装时形成高度排列的体系，从而具有AIE效应。

例如聚氨酯、聚酰胺等聚合物可以通过加入类杂环分子产生AIE。

3. DNA水凝胶合成法。

将其它AIE材料反应后填充进DNA水凝胶后，可以制备获得AIE材料。

二、AIE材料的应用AIE材料在生物成像中有广泛的应用。

由于其在聚集态下有强烈的发光性能，它可以被应用于肿瘤显像、各种生物分子的传态实时监测，另外还可以通过AIE 的响应特性来检测水溶液中的离子等。

此外，AIE材料还可应用于化学传感领域，例如气体传感、超分子传感等。

在这些传感领域，AIE材料可以通过调控聚集态发光行为响应特定的外部环境变化，如光响应，温度响应等。

如果将AIE材料嵌入介孔硅材料中，可以制成高灵敏的温度传感器。

此外，AIE材料还可用于OLED显示器，这类材料能够充分提高器件的发光效率、提高侧向发光特性，进而降低耗电量，提高显示屏幕的亮度。

聚集诱导发光（本人E）在功能高分子材料中的应用一、概述功能高分子材料是一种具有特定功能的材料，广泛应用于光电器件、生物医学、催化等领域。

近年来，聚集诱导发光（本人E）材料作为一种新型的发光材料，受到了研究者们的广泛关注。

本人E材料具有不溶于水的特性，有机溶剂中可溶，具有高效的发光性能，其在功能高分子材料中的应用具有重要意义。

二、本人E材料的特性1. 不溶于水的特性本人E材料不溶于水，这使得它在水性体系中具有独特的应用优势。

在生物医学领域，本人E材料可以用于细胞成像和药物传递系统中。

2. 有机溶剂中可溶在有机溶剂中，本人E材料可以完全溶解，形成溶液状。

这使得本人E 材料可以被方便地喷涂在各种基板上，应用于光电器件领域。

3. 高效的发光性能本人E材料在激发状态下能够发出强烈的荧光，具有高效的发光性能。

这使得本人E材料在光电器件领域具有广阔的应用前景。

三、本人E材料在功能高分子材料中的应用1. 光电器件本人E材料可以被应用于有机发光二极管（OLED）、柔性显示器等光电器件中。

由于本人E材料具有高效的发光性能和良好的溶解性，可以制备出高性能的光电器件。

2. 生物医学本人E材料可以被用于细胞成像和药物传递系统中。

由于本人E材料不溶于水，可以避免在生物体内发生溶解，并且具有高效的发光性能，能够清晰地观察细胞结构和功能。

3. 化学催化本人E材料可以被用于催化反应。

由于本人E材料具有高效的发光性能，可以通过荧光方法来研究催化反应的动力学和机理。

四、本人E材料在功能高分子材料中的发展趋势1. 多功能化未来的本人E材料将会朝着多功能化方向发展，不仅具有发光性能，还能够具有温敏性、光敏性等多种功能。

2. 高性能化随着本人E材料的研究不断深入，其性能将会不断提高，使得其在功能高分子材料中的应用更加广泛。

3. 应用领域拓展本人E材料在功能高分子材料中的应用领域将会不断拓展，涵盖更多的领域。

五、结论本人E材料作为一种新型的发光材料，在功能高分子材料中具有重要的应用意义。

唐本忠团队发展构建深红近红外AIE材料新策略：更小的共轭体系得到更长的吸收和发射波长来自“CBG资讯”公众号每日推荐近日，香港科技大学唐本忠院士科研团队在前期工作基础上（Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 635.; J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 1650），成功发展出一类具有更小的共轭体系但吸收和发射波长更长的深红/近红外发光分子。

该类分子结构简单，合成简便，采用的单体是商业化的4,7-二溴苯并[c]-1,2,5-噻二唑（BT-2Br）和易得的二芳基胺衍生物。

其合成策略通过Buchwald-Hartwig偶联反应直接把芳香类仲胺和BT-2Br偶联，得到结构精简的对称分子BT-2ATPE和BT-2NATPE。

该工作采取了由Pd2(dba)3和RuPhos组成的催化体系，克服了仲胺位阻大反应不良的问题，反应产率高达79%。

该策略同时能通过改变反应物的比例得到可供修饰的不对称结构，有助于针对不同应用情况的需求来修饰分子（图一）。

图二. 目标化合物BT-2ATPE和BT-2NATPE的光物理性质（来源：Chem. Sci.）在完成目标化合物的合成之后，作者首先对目标化合物的光物理性质进行了研究（图二），该类分子表现出扭曲的分子内电荷转移（TICT）以及聚集诱导荧光增强（AEE）现象，其发射波长落在670-680 nm的深红/近红外波段之内，固体下的荧光量子效率高达30%~40%。

有意思的是同课题组之前发展的分子（TTB）相比该类分子虽然分子结构和共轭程度变小，但其吸收和发射波长却明显红移。

以BT-2ATPE分子为例，其最大吸收波长位于522 nm，分子最大发射波长达到674 nm，明显长于TTB分子（最大吸收波长：471 nm，最大发射波长：616 nm）。

通过一系列分析，作者将该现象归因于分子中的电子给体和受体距离缩短而导致的分子内电荷转移（ICT）增强。

超分子化学中的聚集诱导发光超分子化学是研究分子在非共价相互作用作用下形成的亚微米级别的超分子结构，是一门新兴的交叉学科。

在超分子化学中，聚集诱导发光（Aggregation Induced Emission，简称AIE）是一种特殊的发光现象，指的是某些分子在单体状态下不具有荧光性质，而在聚集状态下表现出强烈的荧光现象。

本文主要围绕聚集诱导发光的原理、应用和未来发展方向进行阐述。

一、聚集诱导发光的原理聚集诱导发光的原理和溶剂诱导发光相似，都与分子的排列状态有关。

溶剂诱导发光的分子是某些芳香类结构，因其RIR效应即分子的振动和自旋相互作用而发光。

而聚集诱导发光的分子主要是通过限制分子内部转动、振动和互相之间的电子自旋相互作用来实现发光的。

当分子单体之间具有适当的空间和能量阻挡，电子在单体中是高度局域化的，从而形成了不产生荧光的S1态。

然而，当分子在溶液中聚合形成亚微米级别的聚集体时，由于分子之间的紧密堆积排列，S1态电子会发生电荷转移，形成发光的S1态，从而发生荧光现象。

二、聚集诱导发光的应用聚集诱导发光在生命科学、材料科学和光电子学等领域都有广泛的应用前景。

1. 生命科学领域聚集诱导发光的分子可以被用作生物标记。

这些分子可以与生物分子发生特异性的相互作用，从而检测分子在生物体中的位置和分布情况。

其中一种广泛应用的聚集诱导发光分子是硅氧烷类分子，这种分子可被用于细胞成像、蛋白质荧光探针等领域。

2. 材料科学领域由于聚集诱导发光分子在聚集状态下具有较强的荧光性能，被广泛应用于荧光传感器、有机太阳能电池、荧光显示器件等领域。

例如，电荷转移型聚集诱导发光分子可用于制备荧光载体材料、有机发光二极管、荧光生物传感器等领域。

3. 光电子学领域聚集诱导发光分子具有独特的光学性质，使其成为新型光电器件中的应用对象。

聚集诱导发光分子固态薄膜在器件制备中应用较多。

较为经典的两种器件是基于聚集诱导发光的有机荧光激光器和荧光纳米传感器。

超分子与聚集诱导发光材料
超分子和聚集诱导发光材料是两个相互关联的领域。

超分子是指由两个或多个分子组成的复合物，这些分子可以通过非共价相互作用（如氢键、范德华力等）结合在一起。

聚集诱导发光材料是一种特殊的超分子材料，其发光性质与分子的聚集状态密切相关。

在聚集态荧光猝灭的现象限制了超分子发光材料的应用和发展，这也是超分子发光材料领域亟待解决的问题。

为了解决这个问题，唐本忠院士首次提出了“聚集诱导发光（AIE）”的概念。

不同于传统的超分子发光材料，AIE 材料在聚集态或固态状态时具有显著的荧光强度，从而解决了荧光猝灭的问题。

AIE材料的特点包括：在固态下有强发光特性（粉末或高浓度），对于紫外激发光有很强的稳定性（不会光漂白），在细胞成像及相关生物成像技术中能产生高分辨率图像，浓度越高发光越强，在固态或者高浓度态下有非常高的灵敏度，以及可以通过灵活的化学修饰来实现不同波段的发光调控。

经过16年的发展，AIE材料已经在众多发光材料领域得到应用，如作为对刺激（pH、温度、溶剂、压力等）特异性响应与可逆性传感的智能材料、可调谐折射率的液晶或偏振光材料、高效率的OLED显示和照明材料、光波
导材料、选择性生化传感材料、痕迹识别型材料以及在生物体系中的细胞器、病毒或细菌、血管成像材料等。

以上内容仅供参考，如需更专业的信息，建议查阅相关文献或咨询化学领域专家。

聚合诱导发光聚合诱导发光（Aggregation-induced emission，简称AIE）是一种特殊的发光现象，指的是某些分子或聚合物在溶液中或固态中不发光，但在聚集形态下发出强烈的光。

与传统的发光物质不同，AIE 材料具有高量子产率、较长的寿命和很好的光学稳定性等优点，因此在生物成像、光电器件和传感器等领域具有广泛的应用前景。

AIE现象的产生机理是由于分子内部的构象改变和分子间的相互作用。

在溶液中，许多发光分子由于构象的限制而无法发出光，这被称为非辐射跃迁。

然而，当这些分子聚集在一起形成聚集体时，由于分子间的空间限制，使得分子内的振动模式受到限制，进而促使非辐射跃迁的能量转化为辐射跃迁，从而产生明亮的发光现象。

AIE现象的发现为设计和合成高效的发光材料提供了新思路。

通过调控分子结构，可以实现AIE材料的设计和合成。

常见的AIE分子包括光致发光染料、有机小分子和聚合物等。

这些分子结构复杂多样，但都具有共同的特点，即分子内含有类似双键、芳香环或杂环等共轭结构，同时分子的外围结构具有空间位阻。

AIE材料的应用潜力巨大。

在生物成像领域，AIE材料可以作为荧光探针，用于细胞或组织的成像。

由于AIE分子在溶液中不发光，可以减少背景信号的干扰，提高成像的信噪比。

同时，AIE材料具有较长的寿命和较高的亮度，可以实现长时间的实时成像。

在光电器件方面，AIE材料可以用于有机发光二极管（OLED）的制备，用于显示器、照明和显示等领域。

与传统的有机发光材料相比，AIE材料具有更高的发光效率和更长的使用寿命。

在传感器领域，AIE材料可以用于检测环境中的离子、小分子和生物分子等。

通过改变AIE材料的结构和环境条件，可以实现对目标物质的高选择性和高灵敏度的检测。

虽然AIE现象已经取得了很多重要的研究成果，但仍然存在一些挑战和问题。

首先，AIE材料的设计和合成仍然具有一定的难度，需要兼顾分子内部的构象改变和分子间的相互作用。

聚集诱导发光碳点标题：聚集诱导发光碳点：研究进展与应用前景一、引言聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，AIE）作为一种新颖的光物理现象，自其在2001年被唐本忠院士团队首次发现以来，已在光学材料领域引发了广泛的研究热潮。

其中，聚集诱导发光碳点（AIE Carbon Dots, AIE-Cdots）作为一类新型纳米发光材料，因其独特的光学性质、良好的生物相容性和丰富的表面功能化修饰性，已成为科研领域的焦点。

二、AIE-Cdots的基本特性AIE-Cdots主要由富含碳的有机或无机分子通过热解、水热合成等方法制备而成。

与传统荧光材料不同，AIE-Cdots在稀溶液状态下荧光较弱甚至不发光，但在聚集状态或者固态下却能表现出强烈的荧光发射。

这一特性源于其独特的分子内运动受限机制，使得非辐射跃迁途径受阻，从而增强了荧光效率。

三、AIE-Cdots的研究进展近年来，科研人员针对AIE-Cdots的合成策略进行了大量探索和优化，成功实现了对其尺寸、形貌以及光学性能的有效调控。

同时，基于AIE-Cdots的优良性能，其在生物成像、传感检测、光电器件、催化等诸多领域展现出巨大的应用潜力。

例如，在生物医学领域，AIE-Cdots凭借其优异的生物兼容性和稳定的荧光性能，可以作为理想的荧光标记物用于细胞追踪、疾病诊断及药物输送；在环境监测方面，AIE-Cdots可通过荧光信号的变化对重金属离子、生物小分子等进行高灵敏度检测。

四、未来展望尽管AIE-Cdots的研究已取得了显著成果，但如何进一步提高其荧光量子产率、实现多色可调、拓宽其在各领域的应用范围等问题仍值得深入探讨。

随着合成技术的不断创新和完善，以及对其基础理论理解的深化，我们有理由相信，AIE-Cdots将在未来的纳米科技、生物医疗、环境保护等领域发挥更加重要的作用，并推动相关学科和技术的发展。

总结，聚集诱导发光碳点凭借其独特的AIE效应及其带来的广阔应用前景，已经成为现代科学技术中的一种重要研究对象。

唐本忠院士、丁丹教授《自然·通讯》：“分子内运动诱导的光热转化（iMIPT）”有机光热材料通过非辐射跃迁将光能转化为热能，其在光热催化，光声成像，光热治疗以及海水淡化等方面的重要应用受到广泛关注。

传统有机光热材料的设计较为单一，主要依赖于扩大共轭体系以及引入给受体结构，其面临着溶解性差，光稳定性差以及合成复杂等问题。

除此之外，所得到的平面型材料其非辐射跃迁也十分依赖固态下的堆积，许多平面材料易于形成J聚集体或其他聚集方式，其辐射跃迁通道并不能被完全关闭，从而降低了其光热转化效率。

近日，香港科大唐本忠教授课题组与南开大学丁丹教授合作，提出了一种新的分子设计理念，利用固态下分子运动促进非辐射跃迁产热来构建高效光热材料，也被称为分子内运动诱导光热转化(Intramolecular moiton-induced photothermy, iMIPT，图1)。

相关成果以“Highly efficientAHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAFphotothermal nanoagent achieved by harvesting energy via excited-state intramolecular motion within nanoparticles”为题，发表于Nature Communications。

论文的共同第一作者为香港科技大学博士后赵征博士，南开大学的博士研究生陈超同学以及中科院上海有机所的博士研究生吴文婷同学。

通讯联系人为唐本忠院士和南开大学的丁丹教授。

图１聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)与分子内运动诱导光热转化(Intramolecular moiton-induced photothermy, iMIPT)概念的对比示意图.该工作是对前期所提出的聚集诱导发光（AIE）概念的一次逆向思维，相对于AIE类型分子力图抑制分子运动来打开辐射跃迁途径而发出荧光，该工作则致力于最大程度的实现固态下的分子运动来增强非辐射跃迁将光能转化为热能。

学科类别：理科基于聚集诱导荧光增强机制分子识别检测探针的相关研究化学与生物工程学院邓玉豪王建新廖敏指导老师杨运旭教授摘要：利用有机合成手段合成合成了Probe-1、Probe-2两种新型荧光探针，通过紫外可见光谱（UV）、红外光谱（IR）、核磁共振（NMR)、质谱（MS）、荧光光谱（FL）对其结构与AIE识别效应进行了表征，发现了Probe-1对汞离子的特异性识别作用，Probe-2对鱼腥草素钠的特异性识别作用，并且提出了Probe-1对汞离子、Probe-2对鱼腥草素钠的AIE识别机理。

关键词：AIE效应；荧光探针；汞离子；鱼腥草素钠1选题背景荧光材料在传感器和光电功能器件的研究中占有非常重要的地位,但大部分荧光材料在溶液中具有较强的荧光,而在聚集态时荧光减弱甚至发生猝灭。

2001年,香港科技大学的唐本忠教授小组在Silole家族的研究中发现了与上述浓度猝灭效应截然相反的“聚集诱导发光”现象,简称AIE效应,使人们对有机发光材料的认识开拓了一个全新的角度。

[1]这类分子在溶液中不发光或者发光很弱,而一旦处于聚集状态,如纳米颗粒或者固体薄膜,其发光效率大大增强,可以达到其溶液状态荧光量子产率的上千倍。

[2]受AIE效应的启发，本课题设计合成了两种基于聚集诱导荧光增强机制分子识别检测探针，对Hg2+和鱼腥草素钠有很好的特征识别作用。

克服了传统检测手段在实际应用中因其需要昂贵的仪器、样品处理麻烦、实时性差等弊端。

[3]具有开发为具有便捷,选择性好、灵敏度高,易于通过光纤实现对化学和生命体系中的分析对象进行远程、实时、在线自动监测的荧光探针的前景。

2方案论证本课题对奎宁手性结构进行修饰，形成含AIE结构单元的手性奎宁季铵盐，通过所带电荷增加聚集发光的能力，对带相反电荷的其它手性小分子进行识别检测研究。

同时也将设计含TPE 或氰基取代的AIE衍生物分子。

筛选这些结构对金属离子如K+,Li+,Cs+,Ag+,Na+,Cu2+,Ba2+, Be2+,Ca2+,Cd2+,Fe2+,Hg2+,Mg2+,Mn2+,Ni2+,Pb2+,Sr2+,Zn2+,Co2+及Cr3+的识别。