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郑炎松教授课题组聚集诱导发光方面取得最新成

时间:2019-11-21 12:17来源:国际学校
8月26日,化学与化工学院郑炎松教授课题组在化学类国际顶级期刊《美国化学会志》上以通讯论文的形式在线发表了聚集诱导发光方面的最新研究成果《四苯乙烯螺旋桨构象的固定、聚

  8月26日,化学与化工学院郑炎松教授课题组在化学类国际顶级期刊《美国化学会志》上以通讯论文的形式在线发表了聚集诱导发光方面的最新研究成果《四苯乙烯螺旋桨构象的固定、聚集诱导发光、手性识别及增强的手性光学性能研究》。

  9月4日,国际顶级化学综合期刊Chemical Society Reviews (影响因子40.182)在线发表了化学与化工学院郑炎松教授课题组的综述论文,题为《具有聚集诱导发光的四苯乙烯大环化合物和分子笼》(Macrocycles and Cages Based on Tetraphenylethylene with Aggregation-Induced Emission)。该论文的发表标志课题组在AIE研究领域取得了系列成果。

“科学真美!”

唐本忠来校做主题报告   2月24日,校长钟登华、副校长胡文平会见了来校参加“分子科学与人类科技的未来”国际学术会议的中国科学院院士、香港科技大学唐本忠教授。双方就加强化学学科方向的合作进行了深入的研讨和交流。  图片 1  在学术会议上,唐本忠还做了题为《AIE材料——聚集后能从不可见变为可见的分子》的报告,从常见荧光分子在生物成像应用中的问题——聚集诱导荧光淬灭(ACQ)现象入手,带大家进入了聚集诱导荧光增强(AIE)的奇幻世界。他以荧光素和异硫氰酸荧光素这两个常见的荧光分子为例子,解释了什么是聚集诱导荧光淬灭(ACQ)现象。2001年,唐本忠课题组首次发现,硅杂环戊二烯衍生物在溶液中几乎不发光,而在聚集的状态下能发射强荧光。他们将此现象定义为聚集诱导荧光增强(AIE),并解释了该过程的机理——分子内旋转受限。基于此,课题组已开发出了可覆盖整个可见光波长的一系列AIE材料。AIE分子具有独特的性质,可应用于光电器件、化学传感、生物传感、诊断治疗等多个领域。与传统的荧光分子相比,AIE分子具有低背景高信号、高分辨率、免洗涤、抗光漂白和可用于长程细胞示踪的特点。

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在2017年度国家自然科学奖一等奖获得者、中国科学院院士、香港科技大学教授唐本忠眼中,科研通向一片无限可能性的新天地,令人兴奋、充满希望。

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  一类新型的化合物分子在溶液中没有荧光,在聚集状态下产生强烈荧光,这种现象被称作聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE),该类分子被称作AIEgen分子。AIE现象有效的克服了许多有机荧光分子在溶液或者分散状态下发光,但在聚集状态下发光减弱或者不发光(ACQ)的科学难题,在光电材料及化学与生物传感器等方面显示出巨大的应用潜力,引起了极其广泛的关注和研究。对AIE现象及应用的研究,在2015年被Thomson Reuters评为在化学与材料科学领域第二大顶级研究前沿(2013年被评为第三大顶级研究前沿)。该课题组在进行AIE研究的过程中,首次将四苯乙烯AIEgen分子制备成一系列大环和笼等环状化合物。由于环状化合物比开链化合物刚性更强,按照AIE分子内运动受限(RIM)机理,环状化合物将具有更强的荧光发射强度;环状化合物本身具有洞穴,通过洞穴大小和形状对客体分子的限制,可以显著提高AIEgen分子作为传感器的选择性。对一系列环状AIEgen分子的研究表明,它们在AIE现象增强、分析检测中灵敏度和选择性提高、客体分子调节荧光发射、超分子催化、AIE机理揭示和证明、四苯乙烯螺旋手性应用、分子储存、分离和释放等方面比开链AIEgen分子具有更大优势。相关研究工作在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci.,Chem. Commun.,J. Mater. Chem. C., Org. Lett.,Chem. Eur. J. 等高水平杂志上发表论文近20篇。由于这些连续突出的研究成果,受邀在Chemical Society Reviews上对AIEgen四苯乙烯大环和笼进行深度综述,论文中主要内容是该课题组的研究成果。

唐本忠团队在国际上率先提出聚集诱导发光——这项中国人改写光物理课本的发现,开辟了具有原创性和国际引领性的基础科学研究全新领域。

郑炎松教授与学生

  论文第一作者为2016年从该课题组毕业的冯海涛博士,共同作者为课题组2017级袁迎雪博士生、2018年毕业的熊加斌博士;第一单位通讯作者为化学与化工学院郑炎松教授,共同通讯作者为AIE现象发现人、2017年AIE研究国家自然科学一等奖获得者、香港科技大学教授唐本忠院士,我校为第一作者单位。

光,给万物温暖,助生灵繁育。

  2001年香港科技大学唐本忠院士首次将分子在溶液中没有荧光、在聚集状态发射强荧光的现象定义为聚集诱导发光,此后,由于AIE现象在有机发光二极管以及化学与生物传感器等方面巨大的潜在用途,引起了广泛关注。对AIE的研究在2013年被全球著名的信息提供商Thomson Reuters评为在化学与材料科学领域第三大顶级研究前沿。

  论文得到了国家自然科学基金委和香港研究资助局的资助。

从先秦墨子对光学的最初记载,到现代物理学中的量子力学和相对论,千百年来人类没有停止过对光的追逐、理解和利用。有机发光材料是当代光学研究的前沿热点,化学家们对发光性能优异的功能分子梦寐以求。

  绝大多数AIE分子具有螺旋桨构象,这种构象是其具有AIE现象的关键因素。螺旋桨结构的两种构象,左手螺旋构象和右手螺旋构象由于能够迅速相互转化,至今为止还没有被拆分成具有单一螺旋方向的异构体。郑炎松课题组采用刚性短链将具有AIE效应的四苯乙烯四个苯环连接成环,使其不能自由旋转,得到了螺旋桨构象被部分固定或者完全固定的异构体。这些异构体可用于手性胺及手性药物光学纯度快速精确测定;能拆分得到单一螺旋体,显示出强的圆二色信号,强的圆偏振荧光信号和大的CPL不对称因子,不仅在生物分子的功能调节、手性传感、不对称催化等方面具有潜在用途,更有可能用于3D显示和生物成像等方面;螺旋桨构象固定后,荧光大幅度增强,能得到定量的量子产率,不仅成为优异的荧光染料,而且首次为分子内旋转受限的AIE机理提供了最直接和最有说服力的证据。

  论文链接:

然而,“一个和尚挑水喝,两个和尚抬水喝,三个和尚没水喝。”平面共轭结构导致许多有机发光分子在稀溶液中发光很强,在高浓度溶液中或聚集状态下却发光减弱甚至消失。这一写入光物理课本的聚集导致发光猝灭现象好比有机发光材料的阿喀琉斯之踵,在长达半个多世纪时间里让英雄前行的盔甲染上暗淡之色。

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与教科书“背道而驰”的聚集诱导发光,源自一次“不经意就会擦肩而过”的发现。

  

2001年,课题组在实验中偶然发现一种噻咯衍生物在薄层层析板上不发光,但随着溶剂挥发,由“湿”变“干”的样品在紫光灯照射下却闪闪发光。唐本忠先是惊出一身冷汗,随后反复实验,确认这种噻咯衍生物在溶液状态基本不发光,在聚集态却发出明亮荧光!

  郑炎松课题组近几年一直从事AIE现象及应用的研究工作,取得了一系列具有特色的研究成果。论文第一作者是2014级博士生熊加斌,同时2014级硕士生孙剑平和谢文昭也参与了部分工作,课题组负责人郑炎松教授为通讯作者。国家纳米中心主任、中科院化学所刘鸣华研究员为CPL的测定提供了帮助。

越聚集越发光,不是“三个和尚没水喝”,而是“人多力量大”!

  该论文得到了华中科技大学创新交叉重点团队项目和国家自然科学基金的资助。

AIE特性的荧光材料聚集发光的“秘密”在于分子内运动受限。课题组发现,AIE物质在分子结构上有个显著特点——拥有很多单键连接的芳香环。它们像一个个小螺旋桨,在稀溶液中自由旋转或振动,消耗了紫外光给予它们的能量。但在聚集态下,分子之间错落堆积,螺旋桨转不起来,能量辐射跃迁,因而产生荧光。

发光材料领域一扇全新的大门就此打开!

加拿大学者贝琳达·海涅撰文称,今天我们讨论聚集不能不提聚集诱导发光。自从唐本忠团队的原创成果发表以来,毫不夸张地说,这个研究领域经历了爆炸式的发展。

AIE概念提出以来,已吸引80个多国家和地区超过1500家科研单位的科学家进入该研究领域,近两年每年新增的SCI级AIE论文均超过1000篇。

原创性、引领性研究的伟力在于改变人们的思想、改变世界的面貌。

发光二极管、智能材料、爆炸物检测、化学传感器、癌细胞追踪、细菌成像……近年来,AIE材料在光电、传感、生物、医疗等诸多领域开始应用,被全球材料科学家“玩”出了各种花样。其中用于生物成像和示踪的AIE荧光探针备受市场期待。

长期以来,中国从外国公司进口发光材料,大部分商业化荧光探针的知识产权都由国外企业把控,产品价格昂贵。唐本忠及其团队的创新打破了这一格局,因为AIE材料“源头上”的专利属于中国人。

与传统ACQ材料相比,AIE材料制成的生物探针在成像分辨率、抗光漂白性、长期追踪能力、自定位能力等方面性能更佳。

肿瘤手术中,医生常常为“切多了器官不能再生,切少了病灶还在”的困境而烦恼。“AIE材料荧光探针可以让癌细胞发光而正常细胞不发光,从而‘划出’二者的清晰边界。一旦应用临床,有望使癌细胞切除手术精确度大幅提高。”唐本忠说。

独行快,众行远。“唐老师领导的是一支名副其实的跨学科‘多兵种联合部队’,这次获奖的成员来自香港科技大学、浙江大学、北京理工大学三所高校。不少临床医生被聚集诱导发光吸引,加入我们团队。”团队成员、华南理工大学秦安军教授说。

在学生们看来,唐本忠既像慈父般为人随和,又像严师般挑剔苛刻。他要求弟子们“迎着困难走”,尤其对实验和论文要一丝不苟,精益求精。

对唐本忠而言,拿奖不是目的,兴趣和热情才是从事科研的不竭动力。“喜马拉雅山的攀登者是疯子还是英雄?别人怎么看不重要,自己认为自己是英雄就行。”唐本忠鼓励学生们秉持一腔热情投入科研,“这才是步向成功的不二法门”。

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