人造光技术赋予人类另一双观察世界的眼睛。
不论在日常照明、显示器件以及生化医药领域，荧光材料都有巨大的应用价值，下一代光子器件和有机发光二极管（OLED）的发展都极大受到荧光技术的影响。研究者们先后开发了超 10 万种有机或无机荧光染料，然而不论材料种类如何丰富，科学家们长期被“聚集导致荧光淬灭”（Aggregation-Caused Quenching, ACQ）效应的阴影所笼罩。简单来说，就是发光分子在聚集状态下会导致发光变弱甚至消失，这极大影响了荧光材料的发光效率，阻碍其进一步应用发展。
然而这一困扰人类 150 年之久的难题在中国科学家的一次偶然发现中迎刃而解。
20 年前，唐本忠院士的研究团队研究出聚集诱导发光（AIE）机理，他们发现部分有机分子的发光效率能够在聚集状态下增强，有效解决了 ACQ 问题，AIE 分子材料时代由此开启。
（来源：Pixabay）
这类材料如今已应用在物料、医疗、病毒检测、食品质量监测等多个范畴，应用前景广阔并且极具商机。2016 年，《自然》期刊将这一由中国科学家原创的新材料体系列为支撑未来纳米光革命的四大纳米材料之一，并表示“纳米光革命正在来临”。从 AIE 概念的提出到现在，全世界已经有 80 余个国家和地区超过 1500 个国际团队进入该领域，总引用次数超过 10 万次，近两年每年新增的 SCI 级 AIE 论文超过 1000 篇。
在 AIE 技术发展 20 年之际，DeepTech 有幸采访到唐本忠院士，并回顾这一概念的发展与应用。
有机发光材料的 ACQ 之殇
在了解唐本忠院士的聚集诱导发光（AIE）机理之前，我们首先要了解一下长期困扰材料界的聚集导致猝灭（aggregation-caused quenching, ACQ）效应。
传统的荧光生色团化合物（如荧光素）在稀溶液状态下具有较强的发光能力，然而在高浓度溶液中，或为纳米粒子、胶束、固体薄膜或粉末等聚集状态时，由于 π-π 堆积作用，其发光会逐渐减弱，直至消失，这种现象被称为“浓度猝灭”效应（concentration quenching effect），或 “聚集导致猝灭”（aggregation-caused quenching, ACQ）效应。
在分子科学研究中，为了更好地对有机分子的本质结构和性能之间进行无干扰分析，实验多在气态或极稀溶液中进行。但在实际应用中，有机化合物多以聚集形态使用，如我们日常使用的手机中的有机发光二极管（OLED）显示屏，就包含了由有机分子聚集体制成的薄膜。在水系或生物体系进行生物成像，也使用荧光纳米粒子或胶束等。那么，怎样才能降低 ACQ 效应的不利影响？
研究者们过去曾尝试使用化学、物理或工程方法来暂时或部分抑制有机分子的聚集，从而尽量避免 ACQ 效应，但效果均不理想。有机化合物在固态下的聚集是一个自然过程，抑制分子的聚集只能说是治标不治本，非但不能从根本上解决 ACQ 问题，还会损害单分子原本优异的光学性能。ACQ 成为有机发光材料发展过程中长期困扰学者们的一个难题。
中国原创 AIE 的跨时代突破
ACQ 问题的解决，源自一场不期而遇的发现。
2001 年，唐本忠教授课题组惊喜地发现，一些噻咯分子在溶液中几乎不发光，而在聚集状态或固体薄膜下发光大大增强。这与传统 ACQ 现象完全相反，其发光增强由聚集导致，因此他们将此现象定义为“聚集诱导发光”（aggregation-induced emission, AIE）。
为了解释其工作原理，唐本忠院士举了一个形象的例子：“传统的 ACQ 分子像一群骁勇战将，可集合在一起反而会互相掣肘，无法实现 1+1=2 的力量累加，而 AIE 材料则像多组列兵之阵，越是靠近就越是声势浩大，势不可挡。”
图 | 唐本忠院士在实验室（来源：受访者）
与平面共轭的 ACQ 荧光分子不同，具有 AIE 特性的分子往往具有螺旋形或者扭曲的空间结构，这就限制了在聚集态时分子内部的自由运动空间（Restriction of intramolecular motion，RIM）。研究团队在研究典型的 AIE 荧光分子 HPS（六苯基噻咯）时发现，该分子在聚集状态下，其螺旋桨式的结构有效防止了 π-π 堆积，抑制了荧光猝灭，并且由于空间限制，HPS 分子内旋转受到很大阻碍。分子内运动受限抑制了激发态的非辐射衰变过程，经由运动形式耗散的能量比例降低，光输出形式的能量比例增加，从而使荧光增强。
图 | ACQ 荧光和 AIE 荧光随浓度变化（来源：Adv. Mater.）
因此，他们认为分子内运动受限（restriction of intramolecular motion, RIM）是 AIE 现象产生的主要原因。为了验证这个假设，他们通过改变外部环境或者修饰内在分子结构，使分子内旋转不容易进行。结果显示，在这些条件下，AIE 分子同样表现出荧光增强的特性，证明了分子内旋转受限的确是导致荧光增强的原因，即 RIM 是 AIE 现象产生的主要机理。这一发现可以有效指导人们充分利用有机分子的聚集来实现聚集态荧光增强，从而解决目前有机发光体在 OLED 和水系以及生物荧光探针系统应用中的效率降低问题。
从跟跑到领跑：“材料竞赛场上的全能运动员”
“过去，中国科学家往往处于‘跟跑’状态，而这一次，我们终于做到了‘领跑’”， 唐本忠院士对 DeepTech 表示。
AIE 的突破性在于该机理可以应用到不同领域，理论上，任何涉及分子内旋转受限的领域都可以应用，因而媒体称之为 “材料竞赛场上的全能运动员”。经过 20 年的发展，AIE 材料已经广泛应用在生物/化学传感、光电器件、癌症诊疗和纳米药物递送等领域，在血管成像、细胞追踪、液晶显示、智能材料、发光二极、指纹检测、爆炸物探测、有机光波导细菌甄别、食品质量监测、化学传感器、细胞器影像等场景中都可见到AIE的身影。作为中国本土原创的的理论，AIE 逐步打破国际对荧光检测技术及相关产品的垄断。
AIE 一经发表便引起产学研反响，国外研究纷纷跟进。据透露，目前全球有 145 个国家或地区，共约 12,000 个研究机构或部门从事AIE相关领域研究。聚集诱导发光研究团队也由此荣获 2017 年度中国国家自然科学一等奖。
AIE 材料在光电器件、高灵敏度和高特异性的荧光传感器、高分辨率和对比度的生物成像等领域都有着巨大的应用潜力。其中，高性能有机发光二极管（OLED）是AIE 材料最有前景的应用场景之一。AIE 材料自身具有聚集发光的性质，是非掺杂有机发光二极管器件的理想发光材料。通过引入新的光物理机制，如热活化延迟荧光（TADF）、室温磷光等，AIE 材料有望在激子利用率和器件效率等方面取得进一步突破。目前，中国在能源领域对进口材料和设备的依赖性极强，面对巨大的市场需求，中国亟需自主知识产权的荧光、金属磷光材料体系，AIE 材料正好弥补了此缺口。
图 | AIE 材料的应用布局（来源：Chem. Rev.）
在智能传感材料方面，AIE 材料也显示其优势。新冠病毒引起全球疫症，环境保护监测、公共安全卫生等领域的诉求只会有增无减，多类别、复合型和大通量的检测材料和设备，均为市场所需，研发中国原创的智能传感材料和设备，也有助打破国外在此领域的垄断。
以 AIE 为材料的汞离子荧光点亮探针，可有效找出美白袪斑等护肤品忠的有害污染物。在食品安全方面，胺类挥发性气体监测中亦可以应用到 AIE 材料，从而检测三文鱼等活鱼海鲜的放置时间，也评估其新鲜度。
在工业污染监测方面，AIE 技术可应用至化工厂区挥发性有机化合物（VOC）含量测试，检测出有机磷（如沙林毒气）；又可应用至甲醛（福尔马林）含量监测，检测室内环境 VOC 的含量，一次性混合检测工业产生过程中产生的有毒气体和废水，降低检测复杂程度。
检测酒驾的工具已发展得相当成熟，然而便捷高效的吸毒测试仪器仍待开发，因为毒后驾驶仍是高危险行为。采用 AIE 材料，配合核酸适配体与特定种类毒品的选择性结合，可协助交警在公路上迅速验出海洛因、吗啡、可待因等成分。
图 | 荧光手术导航（来源：Pixabay）
在精准医疗领域，AIE 可以将微观过程和治疗模式等可视化动态呈现，以提高医疗水平。精密度高的 AIE 可以对细胞中的线粒体进行高分辨率和对比度的成像和示踪检测，通过对比正常和患者线粒体形貌，医生可藉以确定是否为原发性疾病，或是比较患者服药前后的线粒体变化，以确定药物是否奏效。
另外，在“谈癌色变”的时代，AIE 也可以提供精准的癌症治疗。唐本忠院士课题组团队在之后的研究中，又发现一种可以在仅癌细胞中聚集发光的 AIE 材料，由此可以实现对肿瘤或癌细胞等组织的长期追踪和显影，开辟早期诊断癌细胞的新方法和新手段。在手术治疗中，使用 AIE 材料进行细胞器成像，并使用荧光对毫米级别的肿瘤进行定位，帮助医生精准切除癌细胞，降低手术操作难度。
能源、水源、空气、食物、医疗与人类生活息息相关。AIE 技术提供了性能更高、成本更低的材料体系，并且作为中国本土技术，打破了国外商业化生物荧光探针等技术的垄断。其应用于普及将带领中国从制造走向创造，并将成果惠及中国以及世界人民的生产生活中。
谈到 AIE 对科学研究的影响，唐本忠院士对 DeepTech 表示，AIE 现象的发现也促使研究方法从还原论（reductionism）向整体论（holism）范式的转变。过去，将任何复杂机理都还原到分子水平进行研究，在哲学意义上属于还原论。而中国传统的思维方式和科学研究，如中医，实际上都是偏向整体论的。
图 | 唐本忠院士（来源：受访者）
“尽管还原论研究法对科学进步做出了巨大贡献，但它在处理非线性复杂系统时显得苍白无力。还原论甚至有可能束缚思想、阻碍进步，例如，人们通常不会主动去研究单个组分分子不具备的整体性质。”唐本忠院士说道。
而理解聚集体在不同结构层次的过程和性质，并将 AIE 研究扩展至聚集体学（Aggregology）研究，即是延续中国传统哲学“整体论”的思路，西方古典哲学中亚里士多德也提出类似的思想——“整体大于部分之和”。
2020 年 10 月 7 日，国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）公布 2020 年度化学领域十大新兴技术（Top Ten Emerging Technologies in Chemistry）评选结果。这项评选旨在全世界范围内遴选出具有巨大潜力的创新技术，以此来改变当前的全球化学与工业界格局，推动实现联合国可持续发展目标（SDG）。唐本忠院士等人提出的“聚集诱导发光”（Aggregation－induced emission）便在这十大新兴技术之中。IUPAC 认为，遴选出的新兴技术有望更好提升人类生活和社会质量，帮助我们更合理、更高效地利用和转换资源，为新材料、电池、传感器和医学等诸多应用领域提供可持续发展的解决方案。