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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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唐本忠院士談聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料：越聚集，越發(fā)光！
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唐本忠院士談聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料：越聚集，越發(fā)光！ 唐本忠，中國科學(xué)院院士。2001年，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）這一原創(chuàng)性科學(xué)概念，并在隨后的20余年間拓展了其在化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，吸引了全球約76個(gè)國家和地區(qū)、2200多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的跟進(jìn)研究。2016年，《自然》期刊將AIE納米粒子列為支撐和驅(qū)動(dòng)“未來納米光革命”的四大納米材料之一，這也是唯一一種由中國科學(xué)家原創(chuàng)的新材料。目前，AIE已經(jīng)成為中國科學(xué)家開創(chuàng)并引領(lǐng)的全新科學(xué)領(lǐng)域。 聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE），是唯一一種由中國科學(xué)家原創(chuàng)的新材料。2020年，AIE入選國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)“全球十大新興化學(xué)技術(shù)”。從精準(zhǔn)醫(yī)療的輔助診療到加速植物光合作用，再到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的性能飛躍，AIE材料以其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用潛力，正逐步展現(xiàn)出其作為未來科技基石的無限可能。 從光致發(fā)光到聚集誘導(dǎo)發(fā)光 現(xiàn)代社會(huì)中，許多新技術(shù)與光密切相關(guān)，發(fā)光材料在其中發(fā)揮著重要作用。那么，發(fā)光是怎么產(chǎn)生的？簡言之，發(fā)光是物質(zhì)把吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程。發(fā)光材料是指能夠以某種形式吸收能量并將其轉(zhuǎn)化為光輻射的物質(zhì)。根據(jù)吸收能量的不同，發(fā)光材料可分為光致發(fā)光、電致發(fā)光、力致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光等類型。例如，熒光材料受光照射發(fā)光為光致發(fā)光；手機(jī)屏、電視屏采用電致發(fā)光；螢火蟲發(fā)光則屬于化學(xué)發(fā)光。 實(shí)驗(yàn)室中，科研人員不斷研發(fā)出各種有機(jī)材料。相較于無機(jī)材料，有機(jī)材料在發(fā)光方面更具潛力，但也易受氧化影響。然而，通過隔離水和氧，可以提高有機(jī)材料的穩(wěn)定性。在生物領(lǐng)域，無機(jī)材料如量子點(diǎn)發(fā)光性能優(yōu)異，但毒性大，這限制了其在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。相比之下，有機(jī)材料因其生物相容性好，應(yīng)用前景比較廣闊。通過讓病毒、細(xì)菌和細(xì)胞發(fā)光，人們能觀察到生命體系中難以直接觀察到的現(xiàn)象，從而更深入理解生物結(jié)構(gòu)和生命過程。例如，我們尚不完全清楚癌細(xì)胞在體內(nèi)的移動(dòng)方式，但如果能讓癌細(xì)胞發(fā)光，就可以追蹤它們以進(jìn)行癌癥診療。同時(shí)，利用發(fā)光材料的光動(dòng)力和光熱性質(zhì)，還能消滅癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)診療一體化，既診斷又治療，還能用于疾病的預(yù)防。 然而，傳統(tǒng)的有機(jī)發(fā)光材料在應(yīng)用層面一直存在一個(gè)難以克服的問題——聚集導(dǎo)致發(fā)光猝滅效應(yīng)。發(fā)光分子在稀溶液里可以高效發(fā)光，但當(dāng)它們?cè)诟邼舛热芤褐谐使虘B(tài)聚集時(shí)，發(fā)光效率會(huì)大幅下降，越聚集光越弱。這是有機(jī)發(fā)光材料應(yīng)用的致命弱點(diǎn)。比如，若將發(fā)光物質(zhì)注入血管期望其能標(biāo)記腫瘤，卻因其聚集而失去發(fā)光信號(hào)，這就是聚集誘導(dǎo)的猝滅現(xiàn)象，它嚴(yán)重限制了傳統(tǒng)發(fā)光材料在生命體系的應(yīng)用。為此，科學(xué)家們一直在努力解決分子聚集后發(fā)光減弱的問題，讓這些發(fā)光分子不要聚集在一塊，從而使發(fā)光更為高效持久，但難度極大，因?yàn)榻^大部分發(fā)光材料的使用場(chǎng)景是在固態(tài)下。幸運(yùn)的是，AIE材料的發(fā)現(xiàn)，打破了這一僵局。20多年前，我們意外發(fā)現(xiàn)一種反�，F(xiàn)象：合成的分子在單分子狀態(tài)下不發(fā)光，聚集后卻開始發(fā)光。這與以往單分子發(fā)光、聚集體不發(fā)光的現(xiàn)象截然相反。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：分子溶于良溶劑時(shí)不發(fā)光，隨著不良溶劑的加入后聚集則發(fā)光。因其發(fā)光由聚集引起，因此被稱為聚集誘導(dǎo)發(fā)光。這一發(fā)現(xiàn)為解決傳統(tǒng)發(fā)光分子聚集導(dǎo)致發(fā)光減弱的問題提供了新的途徑。 快速、簡便、靈敏和準(zhǔn)確的熒光檢測(cè) 微生物與人類共存，既有利也有害，其中有害菌的快速檢測(cè)與消滅至關(guān)重要。目前，微生物檢測(cè)主要依賴染色加鏡檢，能檢測(cè)出超過四分之三的病原體，但操作煩瑣且耗時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)兼顧快速、簡便、靈敏和準(zhǔn)確的要求。相比之下，AIE技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，利用AIE材料染色15秒內(nèi)即可區(qū)分革蘭陽性菌和陰性菌，操作簡便快捷，只需將檢測(cè)試劑與樣本攪拌并在紫外燈下觀察即可。 熒光檢測(cè)本身就是一種非常靈敏的技術(shù)，這也使得AIE技術(shù)具備靈敏度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)的特點(diǎn)。在應(yīng)用于病毒檢測(cè)時(shí)，與傳統(tǒng)的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)相比，AIE技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與其相當(dāng)?shù)俣雀�。其原理就是利用AIE效應(yīng)，在單分子狀態(tài)下，AIE材料是不發(fā)光的，一旦與病原體結(jié)合，分子運(yùn)動(dòng)受限，AIE材料就會(huì)開始發(fā)光。這種現(xiàn)象還可以根據(jù)AIE材料的靶向能力，在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞膜等特定部位富集，并產(chǎn)生顯著的熒光信號(hào)。整個(gè)過程無須清洗和其他處理步驟，因此也被稱為免洗檢測(cè)。 然而，人類對(duì)抗細(xì)菌、病菌的最有力武器——抗生素正面臨挑戰(zhàn)。抗生素的濫用催生了超級(jí)細(xì)菌，中國每年有相當(dāng)數(shù)量的死亡與細(xì)菌耐藥性有關(guān)。因此，需要不斷探索新的抗菌技術(shù)。自然界中存在一種名為噬菌體的病毒，它們專食細(xì)菌，具有高度特異性，即一種噬菌體只針對(duì)一種細(xì)菌。噬菌體通過消耗細(xì)菌營養(yǎng)致其死亡，曾是抗生素出現(xiàn)前的主要抗菌手段。但隨著抗生素的廣泛應(yīng)用，噬菌體逐漸被忽視。如今，耐藥菌出現(xiàn)，噬菌體再次受關(guān)注。然而，噬菌體雖易培養(yǎng)，卻難以直接觀察其在體內(nèi)活動(dòng)及確定其有效性。AIE技術(shù)的出現(xiàn)則很好地解決了這個(gè)問題。AIE可通過與噬菌體表面的蛋白結(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)光，進(jìn)而追蹤噬菌體的活動(dòng)軌跡。利用該發(fā)光現(xiàn)象，可以觀察噬菌體侵入細(xì)菌并殺死細(xì)菌的整個(gè)過程。此外，AIE材料在發(fā)光的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，這種物質(zhì)具有強(qiáng)大的殺菌能力，可以加速病菌的死亡。因此，噬菌體的生物殺滅效應(yīng)與AIE的人工殺滅效應(yīng)相結(jié)合，顯著提高了治療效果。 除了追蹤噬菌體活動(dòng)外，AIE技術(shù)還可以應(yīng)用于熒光導(dǎo)航技術(shù)。在外科手術(shù)中，傳統(tǒng)手段如超聲、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描、核磁共振和正電子發(fā)射斷層掃描等雖然可以檢測(cè)腫瘤的存在，但往往難以準(zhǔn)確判斷腫瘤的位置和大小，且價(jià)格昂貴。這導(dǎo)致醫(yī)生在手術(shù)中常常需要進(jìn)行活檢以確認(rèn)腫瘤位置，這不僅增加了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還可能因判斷失誤而切除正常組織或遺漏腫瘤組織。而AIE熒光成像技術(shù)可以讓腫瘤快速發(fā)光，幫助醫(yī)生迅速判斷其位置和大小，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切除。這突破了傳統(tǒng)手術(shù)的精度極限，為患者帶來了更好的治療效果。 加速海洋植物光合作用 遠(yuǎn)古時(shí)期，二氧化碳主要源于人和動(dòng)物的呼吸，通過樹、草、花等植物的光合作用以及海洋的吸收達(dá)到平衡。然而，工業(yè)革命后二氧化碳排放量劇增，打破了這一平衡，導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度持續(xù)上升，引發(fā)氣候變化。盡管當(dāng)前采取減排、限排措施，但效果有限、需很長時(shí)間見效且難以全面實(shí)施。 一個(gè)更為積極的策略是通過促進(jìn)植物生長特別是海洋植物，以固定更多二氧化碳。AIE材料對(duì)此也可以大顯身手：利用AIE納米粒子轉(zhuǎn)化光波長，使陽光轉(zhuǎn)化為植物喜歡的藍(lán)光和紅光，從而加快光合作用，促進(jìn)植物生長。這樣不僅能消耗掉環(huán)境中更多的二氧化碳，還能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糧食、能源和保健品等有價(jià)值的產(chǎn)品。 海洋作為巨大的碳匯，若能有效利用這一策略，則可實(shí)現(xiàn)二氧化碳的負(fù)排放，即將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)。這不僅有助于緩解氣候變化，還能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，通過AIE等科技手段加速海洋植物光合作用，實(shí)現(xiàn)碳的轉(zhuǎn)化和利用，是應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑。 助力光存儲(chǔ)技術(shù)革新 隨著數(shù)據(jù)量的爆炸性增長，存儲(chǔ)技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。超大容量存儲(chǔ)不僅是國家發(fā)展的重大需求，也面臨著存儲(chǔ)空間和能耗的雙重壓力。光存儲(chǔ)因其高密度、低成本和長壽命成為研究的熱點(diǎn)。與硬盤相比，光存儲(chǔ)系統(tǒng)的電力成本更低，且數(shù)據(jù)遷移次數(shù)少，平均成本大幅降低。然而，要實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)的潛力，必須突破光學(xué)極限，即實(shí)現(xiàn)極小數(shù)據(jù)點(diǎn)的清晰分辨，其中材料篩選尤為關(guān)鍵。理想材料需對(duì)環(huán)境高靈敏、信號(hào)穩(wěn)定、記錄點(diǎn)開關(guān)比高，并通過多層積累提升信息存儲(chǔ)量。 AIE技術(shù)為光存儲(chǔ)提供了新的解決方案。AIE技術(shù)以其發(fā)光特性，能創(chuàng)建微小發(fā)光點(diǎn)作為信息單元，這些點(diǎn)可縮小至納米級(jí)，極大提升存儲(chǔ)密度。與CD、DVD、BD相比，AIE超級(jí)光盤能制作多達(dá)100層，存儲(chǔ)量高達(dá)160萬GB，相當(dāng)于CD容量的200萬倍。AIE材料通過聚合作用使軟性液體材料硬化，形成穩(wěn)定發(fā)光的信息點(diǎn)。這些點(diǎn)不僅微小，且發(fā)光可控，多層間互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)量的巨大提升。 AIE作為中國科學(xué)家原創(chuàng)的科學(xué)概念，正引領(lǐng)全球科技前沿。然而，我國要成為科技強(qiáng)國，還需跨越重大門檻，產(chǎn)出更多原創(chuàng)性和引領(lǐng)性的研究成果。原創(chuàng)科研如掘井，深入則泉眼涌現(xiàn)，源源不斷。AIE材料“越聚集，越發(fā)光”的特性，彰顯了團(tuán)結(jié)協(xié)作的力量。新時(shí)代的中國科技，正涌現(xiàn)更多AIE一樣的原創(chuàng)研究，從局部亮點(diǎn)走向全面發(fā)光，照亮著科技強(qiáng)國之路。 |
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