聚集诱导发光体系:化合物种类、发光机制及其应用

聚集诱导发光(AIE)体系是近年来备受关注的一个研究领域,目前该领域已经积累了较为丰富的AIE化合物的分子设计理念和相应的对AIE机制的理解。AIE体系的研究为固态强发光材料特别是备受聚集发光猝灭难题困扰的有机电致发光材料提供了全新的分子设计思路。本文纵观该领域的研究进展,对AIE化合物种类、发光机制及其相关应用做出了较为详尽的综述报道。具有AIE性质的化合物主要包括多芳基取代的杂环化合物、多芳基乙烯类化合物、分子内电荷转移化合物、含有氢键的化合物、聚合物等。这些化合物的AIE发光机制也各有不同,包括分子内旋转受限、非辐射失活衰减受限、分子构象扭曲以避免形成激基缔合物以及利用特殊的分子堆积方式如J-聚集、交叉分子堆积、由分子间的C—H…π作用或特殊的氢键作用形成相应的发光聚集体等。基于其特殊的AIE性能,AIE化合物可广泛应用于化学传感、生物传感、生物标记、电致发光以及逻辑门器件等领域。     

聚集诱导发光

聚集诱导发光(AIE)是唐本忠院士于2001年提出的一个科学概念,是指一类在溶液中不发光或者发光微弱的分子聚集后发光显著增强的现象。高效固态发光的AIE材料有望从根本上解决有机发光材料面临的聚集导致发光猝灭难题,具有重大的实际应用价值。从分子内旋转受限到分子内运动受限,从聚集诱导发光到聚集体科学,AIE领域已经取得了许多原创性的成果。在本综述中,我们从AIE材料的分类、机理、概念衍生、性能、应用和挑战等方面讨论了AIE领域最近取得的显著进展。希望本综述能激发更多关于分子聚集体的研究,并推动材料、化学和生物医学等学科的进一步交叉融合和更大发展。     

聚集诱导发光机理研究

与传统荧光生色团聚集后导致荧光猝灭相反,有一类化合物在单分子状态下荧光微弱甚至观察不到荧光,而在聚集状态下荧光显著增强,这就是聚集诱导发光(AIE)现象。AIE现象独特的优越性使得众多研究组开发出越来越多的新AIE体系,其机理也被广泛而深入地研究。本文总结了目前为止已经提出的AIE机理,包括分子内旋转受限、分子内共平面、抑制光物理过程或光化学反应、非紧密堆积、形成J-聚集体以及形成特殊激基缔合物等;着重评述了目前研究最为全面、适用范围最广的分子内旋转受限机理。同时介绍了一些基于这些机理设计的新AIE体系。     

糖基聚集诱导发光材料的研究进展

聚集诱导发光材料具有优异的光学性质,在传感检测等领域具有广泛用途.由于大部分聚集诱导发光类荧光基团具有很强的疏水性,一定程度上限制了其应用范围.近五年,基于糖类分子结构多样和水溶性好的优势,我们课题组将多种糖类物质和聚集诱导发光分子偶联,制备出一系列糖基聚集诱导发光材料.该类材料有很好的水溶性和生物相容性,能够降低背景荧光和生物毒性.通过和目标检测物结合或者反应,实现了对多种生物活性分子的荧光检测和细胞成像.本文综述了近年来糖基聚集诱导发光材料领域的重要研究进展,以进一步拓展聚集诱导发光材料的应用领域,为生物活性物质功能监测和糖化学生物学的研究等提供有效的研究工具.     

聚集诱导发光分子寡聚体研究进展

分子聚集行为与细胞内多种代谢过程息息相关,如细胞衰老过程中色斑形成,Aβ肽在阿尔茨海默病病人的脑中聚集行为等.定量化的研究分子聚集效应对于研究分子间的弱相互作用,分子聚集成核过程至关重要.目前,针对聚集效应初期分子寡聚体形成过程的研究仍然处于初期阶段.聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)为研究分子聚集行为提供了一种直观、便捷的策略.但是,由于聚集过程的难以精细控制,定量化描述聚集分子数目与发光行为的关系仍然是巨大的挑战.本综述对近期制备聚集诱导发光分子寡聚体的工作进行汇总.根据形成分子寡聚体的作用力的不同,将目前构建荧光分子寡聚体方法分为以下4类:化学成键作用、主客体相互作用、DNA限域作用和微纳空间限域作用.进一步地,还讨论了分子聚集体的发光行为.通过本综述,有望推动AIE分子寡聚体发光性质的量化研究并为研究分子聚集成核过程带来一定的启示.     

三苯基咪唑衍生物的聚集诱导发光性质及其细胞成像应用

聚集诱导发光(AIE)材料在生物医学领域有很大优势,尤其为生物成像研究开启了新局面.通过2,4,5-三苯基咪唑衍生物与1,4-二溴丁烷/1-溴丁烷亲核取代反应,合成了2个丁烷桥联的双咪唑衍生物及2个1-位丁基取代的单咪唑衍生物. 4个产物都表现出优异的AIE性质,其中含有甲氧基助色团的衍生物具有更长的发射波长.机理研究表明限制扭曲的分子内电荷转移是这类结构具有AIE活性的原因,因此, 2-位强吸电子芳基是它们具有AIE活性的决定因素.此外,咪唑环1-位取代基的空间效应对AIE也非常重要,因为较大体积的1-位取代基使分子呈扭曲构象,从而限制聚集态π-π堆积作用.最后,研究了1-位丁基取代的单咪唑衍生物的细胞染色和成像性能,结果显示二者在蓝色、绿色及红色通道都表现出不错的荧光成像能力,但在不同颜色通道观察到的细胞被染色区域不完全相同.     

具有聚集诱导发光性质的化合物

具有聚集诱导发光（AIE）性质的有机化合物能够在聚集或固态条件下,通过改变分子组成、扭曲构象、刚性结构、堆积形态等调节荧光发射强度和波长,使其在OLED、化学/生物传感器等领域具有广阔应用前景。本文介绍了到目前有关AIE的研究进展。侧重总结了silole型、取代乙烯型（主要包括亚甲基环戊二烯型和DPDSB型）、腈取代二苯乙烯型、吡喃型、联苯型等小分子化合物和少数高分子的结构与AIE性质之间的关系,以及为解释AIE现象所提出的限制分子内的转动、避免非辐射去活、构象扭曲避免形成excimer、J－聚集态以及形成分子间的C-H/π键等理论。     

聚集诱导发光高分子在光学诊疗应用中的研究进展

高分子因其优异的光学特性、良好的生物相容性和分子结构易于调控等优势,在光学诊疗领域表现出巨大应用潜力.然而,传统荧光分子的聚集导致荧光淬灭现象限制了其生物应用.聚集诱导发光(AIE)分子因其聚集态高效发光的优势而备受关注.本文从AIE高分子的构建出发,重点介绍了D-A型共轭聚合物的构建策略、构-效关系以及相对于小分子的性能和应用优势,并从生物成像、肿瘤诊疗和抗菌三个方面总结了AIE高分子在光学诊疗领域的最新研究进展.生物成像方面主要总结了NIR-Ⅱ区AIE高分子在深部组织高分辨率荧光成像中的应用;肿瘤诊疗方面主要介绍了AIE高分子在光动力治疗、光热治疗及联合治疗中的应用;以及介绍了AIE高分子在细菌感染光动力治疗中的应用.最后对AIE高分子在光学诊疗领域的未来发展前景进行了展望.     

聚集诱导发光有机氟化合物的研究进展

聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)化合物因在生物和化学传感、发光材料、显示等领域具有重要价值而备受关注.作为一类重要的功能分子,有机氟化合物在化学和材料等领域被广泛研究.汇总了具有聚集诱导发光性质的有机氟化合物,并进行了分类讨论.AIE有机氟化合物包括氟代的四苯基乙烯(TPE)衍生物、二苯乙烯基蒽(DSA)衍生物、氰基二苯基乙烯衍生物和二苯乙烯基苯衍生物等常见的AIE化合物,也包括聚合物、碳硼烷簇合物和室温磷光化合物,还有其它一些含氟结构.AIE化合物氟代后,稳定性一般会提高,氟原子参与分子间相互作用,导致聚集态的结构发生改变,从而导致发光性质的改变,如发光增强、发光波长红移(蓝移)或发光量子效率及发光寿命提高等.最后,对AIE有机氟化合物的研究前景进行了展望.     

二苯乙烯基蒽衍生物:聚集诱导发光性质、机理及应用

与传统的发光分子相比,具有聚集诱导发光(AIE)性质的分子,在聚集态或固态条件下,由于独特的分子结构和聚集态结构,表现出显著增强的荧光发射,因而在光电器件、生物化学检测等领域展现出广阔的应用前景。本文总结了二苯乙烯基蒽(DSA)及其衍生物的AIE性质,分析了DSA类分子AIE现象的机理,如分子内转动受限、扭曲的分子结构及分子间聚集结构等,同时介绍了此类分子在固态发光、刺激-响应材料,以及生物检测和生物成像等方面的应用。     

具有聚集诱导发光特性的四苯基乙烯研究进展

具有聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)性质的四苯基乙烯及其衍生物(tetraphenylethenes,TPEs)因其发光性能优良、合成简便、易多功能化而越来越受到关注.本文着重对最近几年TPEs的AIE性质研究进展进行综述.在阐述结构与AIE性质之间关系的同时,介绍了TPEs在生物、化学传感器及其它方面的应用, 并对TPEs的设计与应用给予展望.     

Recent Progress in Type I Aggregation-Induced Emission Photosensitizers for Photodynamic Therapy

In modern medicine, precision diagnosis and treatment using optical materials, such as fluorescence/photoacoustic imaging-guided photodynamic therapy (PDT), are becoming increasingly popular. Photosensitizers (PSs) are the most important component of PDT. Different from conventional PSs with planar molecular structures, which are susceptible to quenching effects caused by aggregation, the distinct advantages of AIE fluorogens open up new avenues for the development of image-guided PDT with improved treatment accuracy and efficacy in practical applications. It is critical that as much of the energy absorbed by optical materials is dissipated into the pathways required to maximize biomedical applications as possible. Intersystem crossing (ISC) represents a key step during the energy conversion process that determines many fundamental optical properties, such as increasing the efficiency of reactive oxygen species (ROS) production from PSs, thus enhancing PDT efficacy. Although some review articles have summarized the accomplishments of various optical materials in imaging and therapeutics, few of them have focused on how to improve the phototherapeutic applications, especially PDT, by adjusting the ISC process of organic optics materials. In this review, we emphasize the latest advances in the reasonable design of AIE-active PSs with type I photochemical mechanism for anticancer or antibacterial applications based on ISC modulation, as well as discuss the future prospects and challenges of them. In order to maximize the anticancer or antibacterial effects of type I AIE PSs, it is the aim of this review to offer advice for their design with the best energy conversion.     

Aggregation-Induced Emission: Recent Advances in Materials and Biomedical Applications

The concept of aggregation-induced emission (AIE) has opened new opportunities in many research fields. Motivated by the unique feature of AIE fluorogens (AIEgens), during the past decade, many AIE molecular probes and AIE nanoparticle (NP) probes have been developed for sensing, imaging and theranostic applications with excellent performance outperforming conventional fluorescent probes. This Review summarizes the latest advancement of AIE molecular probes and AIE NP probes and their emerging biomedical applications. Special focus is to reveal how the AIE probes are evolved with the development of new multifunctional AIEgens, and how new strategies have been developed to overcome the limitations of traditional AIE probes for more translational applications via fluorescence imaging, photoacoustic imaging and image-guided photodynamic/photothermal therapy. The outlook discusses the challenges and future opportunities for AIEgens to advance the biomedical field.     

为什么有机分子在溶液中会因聚集而发光？

<正>自2001年,“聚集诱导发光”现象被唐本忠教授研究团队以专有名词形式提出来以后1,受到了人们的广泛关注,近年来相关的研究更是取得了长足的进展。在其众多的推测机理中,目前比较广为人知的是“限制分子运动”的机制2。这种解释非常生动直观,但是在原理上尚需深入研究。尽管限制分子运动对于有效避免快速非辐射弛豫过程至关重要,但其作用的结果并不能导致电子激发态的产生——其是诱导发光的关键。     

Aggregation-Induced Emission of Triphenyl-Substituted Tristyrylbenzenes

The synthesis, properties and X-ray single-crystal structures of two regioisomeric triphenyl tristyrylbenzenes are reported. Both C_3v and C_s derivatives display aggregation-induced emission (AIE) behavior. Regioisomerism impacts the solid-state intermolecular interactions, the photophysical characteristics and photostability in solution.     

Direct Observation of Aggregation-Induced Emission Mechanism

The mechanism of aggregation-induced emission, which overcomes the common aggregation-caused quenching problem in organic optoelectronics, is revealed by monitoring the real time structural evolution and dynamics of electronic excited state with frequency and polarization resolved ultrafast UV/IR spectroscopy and theoretical calculations. The formation of Woodward–Hoffmann cyclic intermediates upon ultraviolet excitation is observed in dilute solutions of tetraphenylethylene and its derivatives but not in their respective solid. The ultrafast cyclization provides an efficient nonradiative relaxation pathway through crossing a conical intersection. Without such a reaction mechanism, the electronic excitation is preserved in the molecular solids and the molecule fluoresces efficiently, aided by the very slow intermolecular charge and energy transfers due to the well separated molecular packing arrangement. The mechanisms can be general for tuning the properties of chromophores in different phases for various important applications.     

Multistimuli-Responsive Luminescence of Naphthalazine Based on Aggregation-Induced Emission

Stimuli-responsive luminescent materials, which are dependent on changes in physical molecular packing modes, have attracted more and more interest over the past ten years. In this study, 2,2-dihydroxy-1,1-naphthalazine was synthesized and shown to exhibit different fluorescence emission in solution and solid states with characteristic aggregation-induced emission (AIE) properties. A remarkable change in the fluorescence of 2,2-dihydroxy-1,1-naphthalazine occurred upon mechanical grinding, heating, or exposure to solvents. According to the characterization by solid-state fluorescence spectroscopy, X-ray crystallography, differential scanning calorimetry, and X-ray powder diffraction, the fluorescence change could be attributed to transitions between two structurally different polymorphs. These significant properties could also give 2,2-dihydroxy-1,1-naphthalazine more potential applications as a multifunctional material.