唐本忠院士團隊玩轉聚集誘導發光材料

唐本忠院士團隊

　　●AIE小分子及機理：唐本忠院士、趙祖金教授、王志明博士、高蒙博士

　　●AIE高分子制備方法及應用：唐本忠院士、秦安軍教授、胡蓉蓉副教授

　　唐本忠院士拿過學生手里的“寶貝”———一個個裝著少量有色粉末的透明玻璃瓶，依次擺在燈前。開燈，粉末綻出明亮、顏色各異的光，仿若連成一條彩虹。“我們集齊了從藍光到紅光，覆蓋整個可見波光范圍的聚集誘導發光材料體系”。在世界上最先提出聚集誘導發光概念的唐本忠，正帶領團隊將實驗室里合成的發出獨特熒光和磷光的材料，打造成彩色“偵探”：能捕捉風洞試驗中大型飛機的薄弱環節，能讓細菌無所遁形，將來它們還能進入人體追蹤癌細胞。

獨辟蹊徑讓分子變身“性情大變”

　　5月15日，唐本忠西裝革履，少見地系上紅色領帶，站在第二屆國際聚集誘導發光現象及其應用研討會的開幕式上，笑容謙和地歡迎來自國內外300余位不同科研領域的“武林高手”。

　　這些人的匯集，源于唐本忠14年前一次反其道而行之的挑戰權威。

　　發光分子在稀溶液里可高效發光，但在濃溶液中或聚集狀下，發光能力減弱甚至完全消失。德國科學家60年前發現的這種聚集猝滅現象，讓發光領域的研究者大為撓頭。因為發光材料多在固態下使用，比如制作一塊有機發光二極管(OLED)的手機屏幕，發光材料就是在濃度最高的固體薄膜態使用。

　　分子越多，發光能力反而越弱，怎么辦？那就避免讓它們聚集在一起，這正是大多數科學家研究的方向：如何阻止分子聚集。但唐本忠獨辟蹊徑，讓平板一樣容易聚集的分子變成類似螺旋槳一樣的結構。

　　變身后的分子“性情大變”，越是聚集，越能發出耀眼光芒，尤其在固態下發光效果更強，而且消耗的能量也大為減少。唐本忠將這種發光現象命名為聚集誘導發光，英文簡稱“A IE”。

　　發光材料領域一扇全新的大門被推開。一系列先進功能材料接踵而至，拉近了人們幻想中的奇妙材料與現實的距離。曾經好萊塢科幻電影中，薄而透明、可以任意彎曲折疊的顯示屏羨煞科技控，今天，可折疊的發光屏幕已成為現實。

　　唐本忠主持的第二屆A IE國際研討會，像是一場科學技術界的跨界派對，化學、物理、生物、醫療還有工程，各領域的延展研究都建立在A IE概念之上。團隊成員之一的胡蓉蓉博士在研討會上就見到了化學界頂尖雜志《美國化學會會志》(Journal ofthe A m erican Chem icalSociety)副主編，這位研究檢測葡萄酒里微量小分子含量的美國科學家，希望借助發光的A IE材料，在糖分不同的葡萄酒中靈敏而精確地挑選出口味更佳的那一瓶。

變色涂料讓飛機風洞試驗變簡單

　　2013年，武漢大學的李振教授發起第一屆A IE國際會議，有160多人參加。時隔兩年，剛結束的這次A IE會議人數翻倍，包括四五十名國際同行。

　　“老唐，你知道為什么研究A IE的人這么多嗎？”會議間歇上海一位教授問唐本忠，“因為它太簡單了”，這話引得唐本忠哈哈大笑，簡單而有用恰是他追求的最高境界。在胡蓉蓉的印象中，唐本忠最常對學生說的“三字訣”就是SE U———Sim ple(簡單)、Easy(容易)和U seful(有用)。

　　簡單到只需要一步反應就可以獲得的A IE材料，在全世界數百名科研人員手中被“玩”出各種花樣，涉及光電、生物、醫療等諸多領域。

　　唐本忠團隊發現，處于無定形態和結晶形態的A IE材料，在顏色和發光強度上都有不同。想法天馬行空的唐本忠意識到，這個發現可以成為飛機風洞試驗的有力工具。

　　大型飛機起飛前，風洞實驗是必要的檢測關口。在風洞實驗中，飛機要被猛烈的風持續地吹，承受不住的部位就會露出破綻。但要找出這些破綻并非易事。風洞試驗破壞的往往是應力集中的地方，肉眼看不出破綻，研究人員只能通過一次次數據模擬，在復雜的計算中去發現“漏洞”。

　　而從無定狀態到結晶狀態的A IE材料，施加作用力就會發生變化，力致變色將使風洞試驗拋開繁瑣的計算，變得極為簡單。將A IE材料做成涂料抹在飛機上，這些高分子會將一切變化清晰地呈現出來，應力集中的地方會發出與其他地方不同的光，甚至整個飛機的應力是怎么分布的，熒光都可以通過顏色變化讓人看得一清二楚。

做出的OLED器件像1平方米點6萬根蠟燭那么亮

　　唐本忠最近摔壞了手機的顯示幕，咨詢后發現更換屏幕要1000多元。他不禁感慨，自己用的不是AIE材料的柔性顯示屏幕，否則手機不僅不怕摔，還可以彎折甚至卷起來。

　　現在常用的手機是液晶顯示，即LCD，液晶本身不發光，要依賴背景光，然而背景光非常耗電。另一種常用顯示器———街頭常見的大型廣告牌，是用無機稀土材料制作的發光二極管，發光持久，但稀土屬于稀缺品，需要在高溫加工，非常耗能，而且脆弱、容易摔壞。

　　效率高、耗能小、易加工、韌度高的顯示屏，一直是人們的渴盼。唐本忠團隊在努力開發A IE材料在光電領域的應用，這個領域的新寵OLED正是他們研究的焦點。

　　在華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室里，AIE器件的發光效率可以達到理論的最高值。他們用AIE材料做出的OLED器件，亮度相當于1平方米內同時點燃6萬根蠟燭，像探照燈一樣閃閃發光。如將AIE材料用于手機屏幕，將使手機控告別玩了一半游戲不得不到處找插線板充電的煩惱。

　　唐本忠每周穿行于香港、廣州兩地實驗室，7月12日是周日，出差回來的唐本忠來到位于華南理工大學科技園的實驗室，五樓一側的幾個房間內，都有學生忙碌的身影。

　　他們捧出一大袋制備好的A IE材料，打開紫外線燈，唐本忠一一查看，“這個是誰做的？”他欣喜地詢問，一瓶淡黃的粉末，在淡藍的光照下，靜靜發出白色的光，“這個用處大啊”。很快他又發現一塊拇指大的晶體，發出紅色光芒，“紅光結晶體也成功了？”

　　身邊圍著的老師和學生看著唐本忠用裝有發光粉末的玻璃瓶擺出“彩虹”。如今，AIE特性的熒光分子發光顏色，已經覆蓋整個可見光區域，他們的研究使O LED實現全彩色顯示成為可能。

生物探針能發現“隱形”細菌檢測糖尿病

　　唐本忠帶領的團隊是2012年廣東省第三批引進的創新科研團隊之一，在滿是玻璃杯和試管的化學實驗室里，他們埋頭將一個個天馬行空的科學想象發展成造福社會的技術現實。

　　第一步，他們選擇了生物檢測和醫療領域。

　　實驗室里的水溶性A IE材料，本身在水中不發光，但只要在水溶液中碰上生物分子，如蛋白質、D N A、脂肪、糖分等，綁定了追蹤成分的A IE材料就會立刻發光，因此它被認為是一種很敏感的“點亮性”傳感器。實驗中，這種與健康關系密切的“生物探針”，鉆進小白鼠體內可讓實驗人員窺視小白鼠身體內部情形。

　　熒光探針不同于電鏡，既不需要真空，在不同狀況下也可以發出不同的光。如果用于人體，就能觀察到以前看不到的細節，這些細節成為醫生判斷病情的珍貴線索。由唐本忠的博士后高蒙博士率領的研發團隊，已經將這種生物探針投入臨床檢測，可將細胞器清晰成像。

　　他們正在研發的A IE探針，進入溶酶體與酶接觸后，通過聚集發光，能清晰顯示酶的濃度高低。醫生只需將這一濃度成像與正常影像進行比較，就可以判斷患病的概率。

　　傳統熒光探針可檢測的溶酶體僅10種左右，A IE探針的檢測范圍至少是傳統探針的4倍。這一技術將主要運用到新生兒因溶酶體缺乏而導致的遺傳性疾病臨床檢測中。“其實細胞器的分布、形態和位置變化都與很多疾病密切相關”，高蒙博士團隊還嘗試運用A IE熒光材料，觀測接受抗癌藥物治療的細胞器形態改變，以此判斷抗癌藥物是否有效。

　　另外，一個細菌檢測的平臺也正在建設當中。發現“隱形”細菌，A IE材料也大有用武之地。

　　在實驗室里，唐本忠團隊在顯微鏡下發現，一種特殊的A IE材料一見到細菌就發光：有的見了死細菌發光，有的見到活細菌發光。更為神奇的是他們開發的一種熒光材料，不僅可以使細菌現形，而且還可以置細菌于死地。

　　這個發現讓整個團隊為之振奮。若由A IE材料上陣，使死亡的細菌發亮，實驗人員可根據發光面積計算出數值，就能判斷藥物對細菌的殺滅程度有多大。而且更特別的是，A IE材料可以只讓細菌發光，輕松地區分細菌和人體細胞，從而可輕易地鎖定細菌的位置。

　　胡蓉蓉副教授在實驗中比較出，A IE材料的光穩定性很強。傳統材料進行細胞染色后拍照，可能拍了兩三張后亮度就會減弱或消失，但A IE材料可以拍幾十甚至幾百張仍保持相當亮度。

　　AIE材料在醫療領域的大展拳腳，最先成為現實的可能是檢測糖尿病的試劑盒。

　　糖尿病是一種難事前感知的疾病，發現尿液中糖分偏高時，往往為時已晚，只能終身注射胰島素。而唐本忠團隊將分子設計得能與葡萄糖結合，分子量變大，然后就會聚集，一聚集就發光。這樣一來只需用紫外燈照射一下尿液，若尿液閃閃發光，就證明當中含葡萄糖，要趕緊去醫院檢查就醫。

　　醫生期待A IE材料能有更出色的表現。例如，給一個肝癌病人動手術時，犬牙交錯的邊緣很考驗醫生技術，如切除不凈，等于埋下復發的隱患，這也是我國腫瘤病人康復率比較低的原因之一。但如果使用A IE熒光材料，即便只有一毫米大小的腫瘤也可以通過熒光呈現，幫助醫生準確地把它切除。唐本忠團隊正在致力于將這一想法變成現實。

　　大部分癌癥死亡病例是因為癌細胞轉移而引起，癌細胞從原發病灶逃出，通過血液“流竄作案”，要檢驗血液里有沒有逃竄的癌細胞，得做循環腫瘤細胞(CT C)檢測，但因為捕獲的循環腫瘤細胞純度不高，醫療界一直對CTC檢測渴盼新的思路。

　　唐本忠團隊研制出的AIE材料，有望解決這個難題。他們開發了一類特殊的A IE材料，只染癌細胞，不染正常細胞。抽血后添加這種材料，如果血液閃閃發光，就意味著追蹤到了逃竄的癌細胞。目前已有一些熒光探針投入追蹤行列，比如一些表層的腫瘤組織，剖開后噴灑熒光材料。

　　“原創的科研就像刨一口井，越往下刨泉眼越多，總是跟蹤別人的，早晚會枯竭”。唐本忠團隊設想并努力實踐著，讓AIE材料“玩”出更多新花樣。