[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
唐本忠：原创概念引领光材料发展
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(aie)在功能高分子材料中的应用
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
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
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。
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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
2017-12-26
非共价相互作用（例如氢键、π-π堆积、CH-π、离子-π相互作用等）在超分子化学、结构生物学、材料化学等很多领域都具有极其重要的作用。
这种相互作用不仅对生物大分子的结构保持具有重要影响，而且也对材料的性能起到决定性的作用，特别是对于发光材料的发光行为而言，例如人们所熟知的聚集诱导荧光淬灭效应（ACQ）就是一种主要由π-π堆积作用导致的荧光现象。
为了避免ACQ在生产、生活中所产生的多种不利影响，2001年，唐本忠院士提出了聚集诱导发光（AIE）的概念，这种荧光分子不同于传统的ACQ分子，其在溶液态下呈弱荧光或无荧光，而在固态下则表现出强荧光。
AIE分子的独特性质使其在很多领域都具有重要的应用前景，例如光电、生物成像、医学等。
经过系统的研究，目前科学家们普遍认为产生AIE现象的主要机理为分子运动受限（RIM）。
根据该机理，人们通过多种非共价键
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相互作用（如氢键、CH-π相互作用）来破坏固态时分子间的π-π堆积，并限制分子的运动等手段合成了大量的AIE分子以满足不同领域的应用需求。
阴离子-π相互作用是一种新型的非共价键相互作用，1993年在实验中首次证实后就受到了科学家们的广泛关注，特别是在超分子和分子识别领域。
当芳香π体系带正电时，正电荷通常可以增强阴离子在特定方向上与π体系之间的相互作用，这种由静电吸引主导的相互作用称为阴离子-π+相互作用。
那么是否能够将这种新型的非共价键相互作用引入ACQ分子中，从而利用这种独特的非共价键相互作用来调控分子的固态发光，实现荧光分子从ACQ向AIE性质的转变呢？
▲ 图1. 分子结构的设计与发光特性
为此，作者首次提出了利用阴离子-π+相互作用来构建新型离子型AIE分子。
研究结果表明，设计合成的四种荧光分子在包含苯基数目相同的情况下，含有正电荷的荧光分子均表现为AIE特性，而不含正电荷的荧光分子则表现为ACQ的性质（图1）。
经X射线单晶衍射、光物理性质测试、理论计算、电导率等相关研究证明，含有正电荷的荧光分子中具有非常强的阴离子-π+相互作用，溶液态时，阴离子和π正离子可以自由运动；固态时，阴
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离子-π+相互作用可以有效阻碍分子间形成π-π相互作用，结合对阴离子与苯环的氢形成的氢键作用限制苯环的运动，从而实现分子固态时的强发光，为离子型AIE 分子的设计与合成提供了一种新的策略（图2）。
利用该方法得到的离子型AIE分子TriPO-PN具有免洗涤、快速靶向细胞溶酶体的特性和功能，为细胞内示踪和监控造影剂提供了新的选择。
图2. 利用阴离子-π+相互作用设计新型离子型AIE分子相关研究结果发表在Journal of the American Chemical Society 上，课题组的博士后王建国博士和顾星桂博士为文章的共同第一作者，唐本忠院士为通讯作者。
香港科技大学的林荣业教授、张鹏飞博士、郑小燕博士、陈明博士、冯海涛博士、郭子健博士以及温州大学的黄小波博士等对该工作做出了重要贡献。
该研究受到国家重点基础研究发展计划（973）以及香港AoE、RGC等项目的资助。
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来源：X-mol
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