唐本忠院士團(tuán)隊(duì)玩轉(zhuǎn)聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料

唐本忠院士團(tuán)隊(duì)

　　●AIE小分子及機(jī)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(yīng)用：唐本忠院士、秦安軍教授、胡蓉蓉副教授

　　唐本忠院士拿過(guò)學(xué)生手里的“寶貝”———一個(gè)個(gè)裝著少量有色粉末的透明玻璃瓶，依次擺在燈前。開(kāi)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(lán)光到紅光，覆蓋整個(gè)可見(jiàn)波光范圍的聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料體系”。在世界上最先提出聚集誘導(dǎo)發(fā)光概念的唐本忠，正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)室里合成的發(fā)出獨(dú)特?zé)晒夂土坠獾牟牧希蛟斐刹噬皞商健保耗懿蹲斤L(fēng)洞試驗(yàn)中大型飛機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，能讓細(xì)菌無(wú)所遁形，將來(lái)它們還能進(jìn)入人體追蹤癌細(xì)胞。

　　獨(dú)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(jiàn)地系上紅色領(lǐng)帶，站在第二屆國(guó)際聚集誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象及其應(yīng)用研討會(huì)的開(kāi)幕式上，笑容謙和地歡迎來(lái)自國(guó)內(nèi)外300余位不同科研領(lǐng)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(zhàn)權(quán)威。

　　發(fā)光分子在稀溶液里可高效發(fā)光，但在濃溶液中或聚集狀下，發(fā)光能力減弱甚至完全消失。德國(guó)科學(xué)家60年前發(fā)現(xiàn)的這種聚集猝滅現(xiàn)象，讓發(fā)光領(lǐng)域的研究者大為撓頭。因?yàn)?a href="http://owiqc.cn/products_list.html">發(fā)光材料多在固態(tài)下使用，比如制作一塊有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的手機(jī)屏幕，發(fā)光材料就是在濃度最高的固體薄膜態(tài)使用。

　　分子越多，發(fā)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(shù)科學(xué)家研究的方向：如何阻止分子聚集。但唐本忠獨(dú)辟蹊徑，讓平板一樣容易聚集的分子變成類(lèi)似螺旋槳一樣的結(jié)構(gòu)。

　　變身后的分子“性情大變”，越是聚集，越能發(fā)出耀眼光芒，尤其在固態(tài)下發(fā)光效果更強(qiáng)，而且消耗的能量也大為減少。唐本忠將這種發(fā)光現(xiàn)象命名為聚集誘導(dǎo)發(fā)光，英文簡(jiǎn)稱(chēng)“A IE”。

　　發(fā)光材料領(lǐng)域一扇全新的大門(mén)被推開(kāi)。一系列先進(jìn)功能材料接踵而至，拉近了人們幻想中的奇妙材料與現(xiàn)實(shí)的距離。曾經(jīng)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(fā)光屏幕已成為現(xiàn)實(shí)。

　　唐本忠主持的第二屆A IE國(guó)際研討會(huì)，像是一場(chǎng)科學(xué)技術(shù)界的跨界派對(duì)，化學(xué)、物理、生物、醫(yī)療還有工程，各領(lǐng)域的延展研究都建立在A IE概念之上。團(tuán)隊(duì)成員之一的胡蓉蓉博士在研討會(huì)上就見(jiàn)到了化學(xué)界頂尖雜志《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》(Journal ofthe A m erican Chem icalSociety)副主編，這位研究檢測(cè)葡萄酒里微量小分子含量的美國(guó)科學(xué)家，希望借助發(fā)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(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)變簡(jiǎn)單

　　2013年，武漢大學(xué)的李振教授發(fā)起第一屆A IE國(guó)際會(huì)議，有160多人參加。時(shí)隔兩年，剛結(jié)束的這次A IE會(huì)議人數(shù)翻倍，包括四五十名國(guó)際同行。

　　“老唐，你知道為什么研究A IE的人這么多嗎？”會(huì)議間歇上海一位教授問(wèn)唐本忠，“因?yàn)樗?jiǎn)單了”，這話引得唐本忠哈哈大笑，簡(jiǎn)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(duì)學(xué)生說(shuō)的“三字訣”就是SE U———Sim ple(簡(jiǎn)單)、Easy(容易)和U seful(有用)。

　　簡(jiǎn)單到只需要一步反應(yīng)就可以獲得的A IE材料，在全世界數(shù)百名科研人員手中被“玩”出各種花樣，涉及光電、生物、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。

　　唐本忠團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，處于無(wú)定形態(tài)和結(jié)晶形態(tài)的A IE材料，在顏色和發(fā)光強(qiáng)度上都有不同。想法天馬行空的唐本忠意識(shí)到，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以成為飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)的有力工具。

　　大型飛機(jī)起飛前，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是必要的檢測(cè)關(guān)口。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，飛機(jī)要被猛烈的風(fēng)持續(xù)地吹，承受不住的部位就會(huì)露出破綻。但要找出這些破綻并非易事。風(fēng)洞試驗(yàn)破壞的往往是應(yīng)力集中的地方，肉眼看不出破綻，研究人員只能通過(guò)一次次數(shù)據(jù)模擬，在復(fù)雜的計(jì)算中去發(fā)現(xiàn)“漏洞”。

　　而從無(wú)定狀態(tài)到結(jié)晶狀態(tài)的A IE材料，施加作用力就會(huì)發(fā)生變化，力致變色將使風(fēng)洞試驗(yàn)拋開(kāi)繁瑣的計(jì)算，變得極為簡(jiǎn)單。將A IE材料做成涂料抹在飛機(jī)上，這些高分子會(huì)將一切變化清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，應(yīng)力集中的地方會(huì)發(fā)出與其他地方不同的光，甚至整個(gè)飛機(jī)的應(yīng)力是怎么分布的，熒光都可以通過(guò)顏色變化讓人看得一清二楚。

　　做出的OLED器件像1平方米點(diǎn)6萬(wàn)根蠟燭那么亮

　　唐本忠最近摔壞了手機(jī)的顯示幕，咨詢后發(fā)現(xiàn)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(jī)不僅不怕摔，還可以彎折甚至卷起來(lái)。

　　現(xiàn)在常用的手機(jī)是液晶顯示，即LCD，液晶本身不發(fā)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(jiàn)的大型廣告牌，是用無(wú)機(jī)稀土材料制作的發(fā)光二極管，發(fā)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(tuán)隊(duì)在努力開(kāi)發(fā)A IE材料在光電領(lǐng)域的應(yīng)用，這個(gè)領(lǐng)域的新寵OLED正是他們研究的焦點(diǎn)。

　　在華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，AIE器件的發(fā)光效率可以達(dá)到理論的最高值。他們用AIE材料做出的OLED器件，亮度相當(dāng)于1平方米內(nèi)同時(shí)點(diǎn)燃6萬(wàn)根蠟燭，像探照燈一樣閃閃發(fā)光。如將AIE材料用于手機(jī)屏幕，將使手機(jī)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(shí)驗(yàn)室，7月12日是周日，出差回來(lái)的唐本忠來(lái)到位于華南理工大學(xué)科技園的實(shí)驗(yàn)室，五樓一側(cè)的幾個(gè)房間內(nèi)，都有學(xué)生忙碌的身影。

　　他們捧出一大袋制備好的A IE材料，打開(kāi)紫外線燈，唐本忠一一查看，“這個(gè)是誰(shuí)做的？”他欣喜地詢問(wèn)，一瓶淡黃的粉末，在淡藍(lán)的光照下，靜靜發(fā)出白色的光，“這個(gè)用處大啊”。很快他又發(fā)現(xiàn)一塊拇指大的晶體，發(fā)出紅色光芒，“紅光結(jié)晶體也成功了？”

　　身邊圍著的老師和學(xué)生看著唐本忠用裝有發(fā)光粉末的玻璃瓶擺出“彩虹”。如今，AIE特性的熒光分子發(fā)光顏色，已經(jīng)覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域，他們的研究使O LED實(shí)現(xiàn)全彩色顯示成為可能。

　　生物探針能發(fā)現(xiàn)“隱形”細(xì)菌檢測(cè)糖尿病

　　唐本忠?guī)ьI(lǐng)的團(tuán)隊(duì)是2012年廣東省第三批引進(jìn)的創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)之一，在滿是玻璃杯和試管的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，他們埋頭將一個(gè)個(gè)天馬行空的科學(xué)想象發(fā)展成造福社會(huì)的技術(shù)現(xiàn)實(shí)。

　　第一步，他們選擇了生物檢測(cè)和醫(yī)療領(lǐng)域。

　　實(shí)驗(yàn)室里的水溶性A IE材料，本身在水中不發(fā)光，但只要在水溶液中碰上生物分子，如蛋白質(zhì)、D N A、脂肪、糖分等，綁定了追蹤成分的A IE材料就會(huì)立刻發(fā)光，因此它被認(rèn)為是一種很敏感的“點(diǎn)亮性”傳感器。實(shí)驗(yàn)中，這種與健康關(guān)系密切的“生物探針”，鉆進(jìn)小白鼠體內(nèi)可讓實(shí)驗(yàn)人員窺視小白鼠身體內(nèi)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(fā)出不同的光。如果用于人體，就能觀察到以前看不到的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)成為醫(yī)生判斷病情的珍貴線索。由唐本忠的博士后高蒙博士率領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)將這種生物探針投入臨床檢測(cè)，可將細(xì)胞器清晰成像。

　　他們正在研發(fā)的A IE探針，進(jìn)入溶酶體與酶接觸后，通過(guò)聚集發(fā)光，能清晰顯示酶的濃度高低。醫(yī)生只需將這一濃度成像與正常影像進(jìn)行比較，就可以判斷患病的概率。

　　傳統(tǒng)熒光探針可檢測(cè)的溶酶體僅10種左右，A IE探針的檢測(cè)范圍至少是傳統(tǒng)探針的4倍。這一技術(shù)將主要運(yùn)用到新生兒因溶酶體缺乏而導(dǎo)致的遺傳性疾病臨床檢測(cè)中。“其實(shí)細(xì)胞器的分布、形態(tài)和位置變化都與很多疾病密切相關(guān)”，高蒙博士團(tuán)隊(duì)還嘗試運(yùn)用A IE熒光材料，觀測(cè)接受抗癌藥物治療的細(xì)胞器形態(tài)改變，以此判斷抗癌藥物是否有效。

　　另外，一個(gè)細(xì)菌檢測(cè)的平臺(tái)也正在建設(shè)當(dāng)中。發(fā)現(xiàn)“隱形”細(xì)菌，A IE材料也大有用武之地。

　　在實(shí)驗(yàn)室里，唐本忠團(tuán)隊(duì)在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，一種特殊的A IE材料一見(jiàn)到細(xì)菌就發(fā)光：有的見(jiàn)了死細(xì)菌發(fā)光，有的見(jiàn)到活細(xì)菌發(fā)光。更為神奇的是他們開(kāi)發(fā)的一種熒光材料，不僅可以使細(xì)菌現(xiàn)形，而且還可以置細(xì)菌于死地。

　　這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)為之振奮。若由A IE材料上陣，使死亡的細(xì)菌發(fā)亮，實(shí)驗(yàn)人員可根據(jù)發(fā)光面積計(jì)算出數(shù)值，就能判斷藥物對(duì)細(xì)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(xì)菌發(fā)光，輕松地區(qū)分細(xì)菌和人體細(xì)胞，從而可輕易地鎖定細(xì)菌的位置。

　　胡蓉蓉副教授在實(shí)驗(yàn)中比較出，A IE材料的光穩(wěn)定性很強(qiáng)。傳統(tǒng)材料進(jìn)行細(xì)胞染色后拍照，可能拍了兩三張后亮度就會(huì)減弱或消失，但A IE材料可以拍幾十甚至幾百?gòu)埲员３窒喈?dāng)亮度。

　　AIE材料在醫(yī)療領(lǐng)域的大展拳腳，最先成為現(xiàn)實(shí)的可能是檢測(cè)糖尿病的試劑盒。

　　糖尿病是一種難事前感知的疾病，發(fā)現(xiàn)尿液中糖分偏高時(shí)，往往為時(shí)已晚，只能終身注射胰島素。而唐本忠團(tuán)隊(duì)將分子設(shè)計(jì)得能與葡萄糖結(jié)合，分子量變大，然后就會(huì)聚集，一聚集就發(fā)光。這樣一來(lái)只需用紫外燈照射一下尿液，若尿液閃閃發(fā)光，就證明當(dāng)中含葡萄糖，要趕緊去醫(yī)院檢查就醫(yī)。

　　醫(yī)生期待A IE材料能有更出色的表現(xiàn)。例如，給一個(gè)肝癌病人動(dòng)手術(shù)時(shí)，犬牙交錯(cuò)的邊緣很考驗(yàn)醫(yī)生技術(shù)，如切除不凈，等于埋下復(fù)發(fā)的隱患，這也是我國(guó)腫瘤病人康復(fù)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(guò)熒光呈現(xiàn)，幫助醫(yī)生準(zhǔn)確地把它切除。唐本忠團(tuán)隊(duì)正在致力于將這一想法變成現(xiàn)實(shí)。

　　大部分癌癥死亡病例是因?yàn)榘┘?xì)胞轉(zhuǎn)移而引起，癌細(xì)胞從原發(fā)病灶逃出，通過(guò)血液“流竄作案”，要檢驗(yàn)血液里有沒(méi)有逃竄的癌細(xì)胞，得做循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CT C)檢測(cè)，但因?yàn)椴东@的循環(huán)腫瘤細(xì)胞純度不高，醫(yī)療界一直對(duì)CTC檢測(cè)渴盼新的思路。

　　唐本忠團(tuán)隊(duì)研制出的AIE材料，有望解決這個(gè)難題。他們開(kāi)發(fā)了一類(lèi)特殊的A IE材料，只染癌細(xì)胞，不染正常細(xì)胞。抽血后添加這種材料，如果血液閃閃發(fā)光，就意味著追蹤到了逃竄的癌細(xì)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(kāi)后噴灑熒光材料。

　　“原創(chuàng)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(huì)枯竭”。唐本忠團(tuán)隊(duì)設(shè)想并努力實(shí)踐著，讓AIE材料“玩”出更多新花樣。

　　最新成果

　　●唐本忠院士、趙祖金教授發(fā)展了折疊型的空間共軛的A IE分子體系，并實(shí)現(xiàn)了單分子二維導(dǎo)電性能。

　　●高蒙博士率領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將熒光生物探針投入臨床檢測(cè)，可將細(xì)胞器清晰成像。

　　●A IE材料在醫(yī)療領(lǐng)域的大展拳腳，最先成為現(xiàn)實(shí)的可能是檢測(cè)糖尿病的試劑盒。