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大幅度提高检测灵敏度!盘点AIE材料的十六大应用!

来源: 高分子科学前沿|

发表时间:2020-02-17

点击:22698

2020年2月15日,南开大学丁丹教授牵头,联合南方医科大学南方医院郑磊教授团队、华南理工大学唐本忠院士团队、深圳金准生物医学工程有限公司开展联合攻关,仅历时七天,成功研制出新冠病毒(2019-nCoV)IgM/IgG抗体快速测试卡,可在15分钟左右完成检测,具有操作简单、容易判读、灵敏度高等优势。据悉,研究者在检测卡中引入高性能AIE量子点作为信号单元,大大提高了抗体检测的灵敏度,让AIE科技成果走入抗疫前线。今天“高分子科学前沿”带大家一起盘点AIE材料的最新应用成果。



图为南开大学联合国内多家单位研发的新型冠状病毒诊断试剂盒


2001年8月14日,香港科技大学唐本忠教授课题组首次提出了聚集诱导发光(Aggregation-induced emission,AIE)的概念并研究了五苯基噻咯衍生物的光致发光性质,打破了传统思维,使越来越多的AIE分子走入科研工作者的视线中。目前,全球80余个国家和地区的约1600个单位的科学家正在进行AIE相关研究。AIE领域发表的论文数和引用次数均呈指数增长。开创了一个由中国科学家原创并引领、国外科学家竞相跟进的研究领域(经典回顾| 聚集诱导发光的开山之作:一篇《CC》,开启中国人引领世界新领域!)。



此外,随着越来越多的AIE分子走入科研工作者的视野中,AIE材料的前景逐步显现。AIE材料在刺激响应、生物检测、DNA成像、蛋白质检测、细胞膜成像、线粒体成像、细菌成像、组织成像、光动力治疗、离子检测、爆 炸物检测、指纹识别、发光二极管、光波导、圆偏振发光和液晶等十六大领域显示出应用的前景,本文选取各个应用领域中具有代表性的文章,分享给大家。


01 有机发光二极管——全色发光


有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode, OLED)是一种能将电能转换为光能的固态器件,其发光层要求有机物具备聚集态发光,化学性质稳定等特点,而相比于传统的ACQ化合物,AIE化合物显然更适合用于制备OLED器件,也受到了广泛的研究关注。


武汉大学李振、中国科学院长春应用化学研究所马东阁合作通过简单地将两个四苯乙烯单元相连,得到了一系列具有蓝光发射的AIE化合物(如图1a所示),该类化合物结构刚性,具有优异的热稳定性以及良好的化学稳定性,可用于制备OLED器件。研究者们制备得到的非掺杂器件的发射波长位于435-459 nm,可实现深蓝光的发射。其中基于mTPE-pTPE的器件的最大亮度为3266 cd∙m-2, 光电流为2.8 cd∙A-1, 外量子效率为1.9 %,相关工作发表于《Advanced Functional Materials》。


香港科技大学唐本忠院士、华南理工大学赵祖金团队将四苯乙烯的苯环换成萘环,制备得到了TNE化合物。由于萘环比苯环体积更大,在聚集状态下旋转受限程度更高,AIE性质更加明显,同时共轭扩展,可实现绿光的发射。基于TNE制备的非掺杂OLED器件发射波长为520 nm, 最大亮度为8840 cd∙m-2, 光电流为2.9 cd∙A-1, 外量子效率为1.0 %,相关工作发表于《Chemical Communication》。


香港科技大学唐本忠院士团队将二苯胺部分接入经典的二甲基四苯基噻咯分子中,得到了DMTPS-DPA分子,一方面,二苯胺基对噻咯环有很强的分子内电荷转移,有助于提高发光效率,另一方面,其螺旋桨结构位阻增大,同样有利于高效的聚集体发光,固态下荧光量子效率高达74 %。基于DMTPS-DPA的黄光OLED器件发射波长为548 nm, 最大亮度为14038 cd∙m-2, 光电流为7.6 cd∙A-1, 外量子效率为2.26 %,相关工作发表于《Chemical Science》。


中山大学池振国、许家瑞团队制备了两种AIE化合物(V2BV2和T2BT2),基于这两种化合物的OLED器件的发射波长分别为643 nm和660 nm,实现了红光发射。更重要的是,基于T2BT2化合物非掺杂器件的最大亮度可达13535 cd∙m-2,相关工作发表于《Chemical Communication》。


通过科学家的努力,目前,基于AIE化合物的OLED器件已基本实现全色发光,正在向高效低能耗的方向不断前进。上述化合物的结构如图1所示。



图1. 具有AIE性质的有机化合物用于OLED器件:(a) 蓝光材料;(b) 绿光材料;(c) 黄光材料;(d) 红光材料.


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201202639

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/CC/c3cc00010a#!divAbstract

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/SC/C1SC00688F#!divAbstract

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cc/c1cc14642d#!divAbstract


02 爆 炸物检测——下限低至0.4 ppm


香港科技大学唐本忠院士团队联合吉林大学于吉红院士团队,以SBA-15介孔材料为载体,使用四苯乙烯结构进行修饰,制备得到了一种爆 炸物检测材料SNF-3。在聚集状态下,四苯乙烯单元相互靠近,产生明显的AIE特性,当加入爆 炸物三硝基苯酚,受紫外光激发时,四苯乙烯结构与三硝基苯酚产生能量转移,荧光猝灭,可通过检测荧光强度标定爆 炸物的浓度,其检出下限为0.4 ppm,展现了超灵敏的爆 炸物检测能力。此外,研究者进行了SNF-3的循环检测性能测试,如图2所示,10次循环后,SNF-3依然能保持初始的优异的爆 炸物检测性质。该研究工作为爆 炸物检测提供了一条简便的途径,同时也揭示了AIE化合物在该领域的应用潜力,相关工作发表于《Chemical Communication》。



图2. 含四苯乙烯结构单元的介孔材料检测爆 炸物(三硝基苯酚):(a) 机理;(b) 溶液荧光光谱;(c) 循环性能测试.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/cc/c2cc31890c#!divAbstract


03 指纹识别——让罪犯显形


犯罪现场的指纹信息是法医调查中的重要线索,将指纹信息可视化,通过研究指纹中细微的分叉、脊状或岛状形状,可获得诸多案件信息。一般地,可使用荧光染料或发光粉使指纹可视化,但该方法将不可避免地破坏指纹细节,因此,实现简便准确的指纹识别显得尤为重要。


基于此背景,浙江大学苏彬教授团队将四苯乙烯溶液涂在含有指纹的载体上,四苯乙烯分子通过疏水作用将优先吸附聚集在富皮脂的指纹处,在紫外灯下发光,从而显现出载体上的指纹图案。此外,载体也将影响指纹图案,例如,在不锈钢薄板上显示的指纹图案中包含分叉与脊状条纹,铝箔上显示的指纹图案中包含湖状与脊状条纹,如图3所示,该研究工作拓展了AIE材料在指纹识别领域的应用,相关工作发表于《Chemical Communication》。



图3. (a) 四苯乙烯用于指纹识别示意图;不同表面的指纹荧光照片:(b) 显微镜片;(c) 不锈钢薄板;(d) 铝箔.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/cc/c2cc30553d#!divAbstract


04 刺激响应


刺激响应材料是一种智能材料,其在外界刺激下可改变自身物理或化学性质。其中,力致变色材料可通过外力刺激,通过改变化合物的堆砌形态,影响其光致发光性能。浙江大学孙景志和华南理工大学秦安军、唐本忠团队制备了一种具有AIE性质的四苯乙烯衍生物(E)-BPHTATPE,其荧光量子效率接近100%。将(E)-BPHTATPE研磨至无定形态后,荧光发射峰由447 nm红移至477 nm,展现出明显的力致发光变色的性质。此外,由于材料具有AIE性质,使用溶剂熏蒸可使其光致发光强度大大降低,可实现可擦写应用。更重要的是,无论是力致发光变色还是可擦写的性质,经过4次循环操作,基本能保持初始性质,如图4所示,有望在实际应用领域发挥重要作用,相关工作发表于《Journal of the American Chemical Society》。



图4. (E)-BPHTATPE化合物的:(a) 合成步骤;(b) 力致变色性质;(c) 研磨前后光致发光谱图;(d) 可擦写应用;(e) 循环性能测试.


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja208883h


05 光波导


香港科技大学唐本忠院士团队制备了一种含吡啶环的四苯乙烯衍生物(TPE-Py),该化合物在结晶状态下能实现高效的荧光发射,同时易于形成微米棒状结晶,通过紫外光激发微米晶的不同区域均能观测到两端发光更强的现象,即存在光波导性质。如图5所示,虽然TPE-Py微米晶末端的光强度随着与激发位置距离的增加而逐渐减弱,但光损耗仍然低于0.032 dB∙mm-1,性能优于诸多已报道的光波导材料,展现了巨大的应用潜力,相关工作发表于《Journal of Materials Chemistry C》。



图5. TPE-Py的:(a) 合成步骤;(b) 微米晶荧光照片;(c) 同一微米晶激发不同位置的荧光照片;(d) 对应的发射光谱;(e) 微米晶末端发光强度随激发位置变化趋势.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/TC/c3tc30759j#!divAbstract


06 圆偏振发光


香港科技大学唐本忠院士和物理系Kam Sing Wong合作,基于经典的二甲基四苯基噻咯,在苯环两端接上手性的糖单元,合成得到了化合物1。相较于传统的ACQ化合物,化合物1展现出明显的AIE性质,溶液中量子效率仅为0.6%,而固态下高达81.3%。此外,由于分子在聚集状态下更容易组装形成右旋的螺旋结构,具有圆二色性,同时兼具高效的荧光发射,这是在传统的ACQ化合物中无法实现的。更重要的是,化合物1的不对称因子的绝对值在0.08-0.32的范围内,比一般报道的有机材料高两个数量级,基于上述圆二色性可将材料通过微流控技术制备荧光图像,如图6c所示,在紫外灯下可显现出规则的绿色通道,平均宽度12.5 µm,有望进一步应用于更复杂的图案制造中,相关工作发表于《Chemical Science》。



图6. 化合物1的:(a) 合成步骤;(b) 圆二色光谱;(c) 石英载体上的微流控通道照片;


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/sc/c2sc20382k#!divAbstract


07 离子检测


三价金属阳离子的检测具有重要的生物学意义和环境重要性。例如,Cr3+是人体必需的微量元素,但过量的Cr3+将导致人体内葡萄糖和脂质代谢紊乱,诱发糖尿病及心血管疾病。此外,Al3+也是较为常见的三价金属离子之一,Al3+的过量摄入将导致阿尔兹海默症和骨质疏松症,同样,过量摄入的Fe3+也无法被人体代谢。


基于此背景,浙江大学孙景志和香港科技大学唐本忠院士团队合作制备了一种含吡啶结构的四苯乙烯衍生物Py-TPE,该化合物在质子化之后能够产生明显的红光发射,而恰恰Cr3+、Al3+和Fe3+三种离子的水解能力较强,在水中能够解离出大量的氢离子,促进Py-TPE的质子化与红光发射,因而可用于检测和区分上述三种离子,如图7所示,相关工作发表于《Chemical Communication》。



图7. Py-TPE的:(a) 合成步骤;(b) 检测不同离子的荧光光谱图;(c)不同离子在488 nm与630 nm处发射强度比;(d) (e) 365 nm 紫外灯与日光下含10 µM Py-TPE的不同离子溶液照片.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/CC/c2cc38246f#!divAbstract


08 组织成像——量子效率是商用QD655的十倍


新加坡国立大学刘斌、Lai Guan Ng团队将AIE分子应用于近红外光生物组织成像技术。一般地,近红外区域(700-1000 nm)生物底物的光吸收最小,且近红外光对深层组织具有穿透性,干扰性和光毒性都最小。同时也要求AIE分子具有近红外激发产生高能可见荧光的能力。研究者制备了一种含四苯乙烯和苯并噻二唑的分子(BTPEBT),该化合物在聚集状态下能够被近红外光激发,产生绿色荧光发射,将其于DSPE-PEG2000组装成具有AIE性质的发光量子点,直径约33 nm,将其应用于小鼠的脑部血管、脊髓血管及耳部皮下血管组织的成像,如图8所示,同时研究者也使用商用的20-25 nm的QD655作为参照,100 s内,AIE量子点和QD655发射光子的数目分别为6.07×105 counts和5.40×105 counts,一定时间内发射光子数目的多少决定了成像的分辨率高低。此外,该AIE量子点成像截面的量子吸收效率ηδ和量子效率η分别高达6.3×104 GM和62%,为QD655的2.4倍和10倍,相关工作发表于《Advanced Materials》。



图8. (a) BTPEBT的化学结构及其量子点的制备;小鼠组织成像:(b) 脑部血管;(c) 脊髓血管;(d) 耳部皮下血管.


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201301938


09 细胞膜成像——远胜于Dil染料分子


细胞膜是细胞的重要组成部分,对细胞膜的标记及可视化成像在生物医学研究中非常重要。目前,商用的有机染料Dil和Dio可用于细胞膜成像,但这些染料的毒性较大,其次信号衰减快,无法实现持续长时间的标记成像。基于此背景,复旦大学李富友和南京工业大学Liu Rui制备一种含芴的萘酰亚胺衍生物(FD-9),该化合物具有明显的AIE性质,能够特异性地黏附在细胞膜的表面用于标记成像,如图9所示,该化合物可以稳定标记HepG-2细胞膜长达4天,性能远胜于Dil染料分子,相关工作发表于《Chemical Communication》。



图9. (a) FD-9的化学结构; (b) FD-9的AIE性质;(c) 活体HepG-2细胞膜成像.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/CC/c3cc46991c#!divAbstract


10 细菌成像——可用于长期检测细菌的生存状况


通过跟踪细菌的生存情况可用于评估抗菌药物的药效,但目前常规的标记细菌的染料均具备一定的毒性和较差的光稳定性,不适合用于长期跟踪标记。香港科技大学唐本忠院士团队制备了一种含硼酸结构的四苯乙烯衍生物(TPE-2BA),该化合物是一种非渗透性的DNA染色剂,无法标记成像活体细菌,当细菌死亡后,TPE-2BA可进入细菌体内与DNA相互作用成像,同时,研究者也使用一种常见的标记物PI作为对比,结果表明,TPE-2BA可用于监测细菌的存活情况长达4天时间,而PI仅20 min失活,此外,TPE-2BA标记细菌的明显高于PI,更重要的是,TPE-2BA本身对细菌基本上无毒无害,细菌的存活率超过90%,而细菌在PIzh中的存活率不足40%,TPE-2BA展现出高亮度、出色的光稳定性和良好的生物相容性,可用于长期检测细菌的生存状况,如图10所示,相关工作发表于《Advanced Healthcare Materials》。



图10. TPE-2BA的化学结构(a)及其在活死细胞中的PL光谱(b); 活细菌成像:(c) 大肠杆菌;(e) 表皮葡萄球菌;(g) 枯草杆菌;死细菌成像:(d) 大肠杆菌;(f) 表皮葡萄球菌;(h) 枯草杆菌.


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adhm.201200475


11 线粒体成像——50次扫描成像,衰减率仅20%


线粒体是一种重要的细胞器,不但为细胞供能,还参与细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程。为了参与上述过程时线粒体的变化,需要引入高度特异性了光稳定性优异的荧光探针,而目前市售的线粒体探针的光稳定性差。基于此背景,香港科技大学唐本忠院士团队制备了一种含三苯基膦结构的四苯乙烯衍生物(TPE-TPP),该结构能特异性识别细胞中的线粒体,同时附着在线粒体上进行高效聚集诱导发光,从而实现线粒体成像。如图11所示,经历了对Hela细胞50次扫描成像,TPE-TPP的信号衰减率保持在20%以内,而商用的线粒体标记染料MT在仅6次扫描后信号衰减至原来的25%,基本无法成像,由图11c,d和e中也能看出使用TPE-TPP成像的Hela细胞照片较MT的亮度,分辨率更高,相关工作发表于《Journal of the American Chemical Society》。



图11. (a) TPE-TPP的化学结构及其AIE性质;(b) TPE-TPP和线粒体标记物(MT)在Hela细胞中荧光信号损失图; (c) TPE-TPP标记Hela细胞的线粒体成像图;(d) MT标记Hela细胞的线粒体成像图;(e) 成像叠加图.


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja310324q


12 DNA成像


DNA片段的荧光标记成像技术在基因检测领域应用广泛,引起了科学家极大的兴趣。一般地,主要有固相核苷酸合成和酶结合法来标记DNA。前者主要是利用功能化的核苷磷酰胺类化合物制备功能性核酸的过程中通过染料标记或染色,但合成过程复杂繁琐。后者主要通过缺口翻译、随机启动和聚合酶联反应(polymerase chain reaction, PCR),在扩增过程中引入荧光物质,构筑功能性核酸。但无论是以上那种方法,荧光物质都面临高浓度猝灭的问题,而对于AIE化合物而言,这一问题可以轻松解决。香港科技大学唐本忠院士团队和新加坡南洋理工大学Kathy Qian Luo制备了功能化的二甲基四苯基噻咯衍生物(SITC-dUTP),该化合物在展现出明显AIE性质的同时,能够在PCR过程中通过酶切结合到DNA片段中,实现了DNA的标记成像,如图12所示,相关工作发表于《Chemical Communication》。



图12. (a) SITC和SITC-dUTP的化学结构;(b) (c) SITC的AIE性质表征;(d) (e) SITC-dUTP用于DNA成像的荧光照片.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/cc/c2cc32038j/unauth#!divAbstract


13 蛋白质检测——响应更快,灵敏度更高


聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)技术常用来分离蛋白质,然而对于痕量蛋白质的定量分析仍然是一大挑战。许多商用染料可用于染色PAGE技术分离出的蛋白质,例如CBB(Coomassie Brilliant Blue)和银染色剂等。然而,CBB染色剂灵敏度低,信噪比差,且染色需要多种步骤程序,而银染色剂同样存在高背景噪音的缺点。基于此背景,香港科技大学唐本忠院士和新加坡南洋理工大学Kathy Qian Luo合作,合成了一种新型的含异硫氰酸基团的四苯乙烯衍生物(化合物2),该化合物具有明显的AIE性质,即在溶液中不发光,但在预染色或后染色的过程中异硫氰酸基团可与蛋白质的残氨基化学键合,使四苯乙烯单元相互聚集发光。将该化合物用于标记检测牛血清蛋白(BSA),如图13c所示,图片的上半部分为化合物2检测BSA,检出下限为0.1 µg,而下半部分为CBB用于检测BSA的照片,检出下限为0.2 µg,此外,化合物2标记蛋白质的响应速度较CBB也更快,意味着其灵敏度更高,相关工作发表于《Analyst》。



图13. 化合物2的:(a) 合成步骤;(b) AIE性质表征;化合物2标记牛血清蛋白BSA的:(c) 检出下限测试;(d) 灵敏度测试.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/EN/content/articlehtml/2012/an/c2an36002k


14 生物分子检测新途径


浙江大学孙景志和香港科技大学唐本忠院士团队制备了一种含醛基的二甲基四苯基噻咯衍生物(DMBFDPS),该化合物能够与氨基酸反应,若R基团带有不同长度的巯基,则将产生不同的化合物,反应时间大不相同,如图14所示。因此,当DMBFDPS用于检测半胱氨酸(Cys)时,120 min即可出现明显的聚集诱导发光现象,而当检测血同型半胱氨酸(Hcy),由于探针与其反应速率较慢,3天后才能出现明显的发光现象。研究者揭示了一种新型的检测氨基酸等生物分子的途径,但检测的灵敏度有待进一步提高,相关工作发表于《Journal of Materials Chemistry》。



图14. DMBFDPS检测半胱氨酸(Cys)和血同型半胱氨酸(Hcy)的:(a) 机理;(b) (c) 时间分辨光谱.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2012/JM/C2JM32892E


15 液晶


杭州师范大学来国桥和国家纳米科学中心王琛合作通过复杂的合成手段制备得到了两种具有AIE性质的二甲基四苯基噻咯衍生物(1a和1b),如图15所示,两种化合物结构中除了刚性的二甲基四苯基噻咯单元外,还有长烷基链作为软段,能够很好地组装成为纤维状聚集体,在偏光显微镜下可观测其结晶行为。由1a和1b两种化合物的DSC曲线可知,其液晶区的温度范围分别为146 ℃和122 ℃,相关工作发表于《Soft Matter》。



图15. (a) 化合物1a和1b的合成路线;DSC曲线:(b) 1a;(c) 1b;化合物1a的偏光显微镜照片:(d) 112.4 ℃;(e) 60.6 ℃;化合物1b的偏光显微镜照片:(f) 127.2 ℃;(g) 67.6 ℃.


原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2010/SM/b925746b#!divAbstract


16 光动力治疗


传统光动力治疗中使用的光敏剂(如卟啉类化合物,BODIPY类化合物)虽然在单分子状态下具有良好的近红外发射和产生单线态氧的能力,但其在水中容易聚集,导致发光效率和产氧能力下降,因此,引入具有高效产氧能力的AIE分子作为光敏剂应用于光动力治疗,可解决上述问题。新加坡国立大学刘斌教授团队设计合成了一种具有红外发射能力的光敏剂TBTC8,如图16a所示,使用DSPE-PEG2000作为基体制备纳米颗粒。在白光的照射下,TBTC8纳米颗粒能够高效地将周围的氧气转换为单线态氧,效率为常见光敏剂Ce6的1.73倍。以4T-1乳腺癌细胞为模型,研究者测试了该纳米颗粒在小鼠体内光动力治疗的效果,结果表明,在相同条件下,TBTC8纳米颗粒的光动力治疗效果要优于Ce6,同时对小鼠的毒性可忽略不计,显示了其在肿瘤的光动力治疗领域的应用价值,相关工作发表于《Advanced Functional Materials》。



图16. (a) TBTC8的合成路线;(b) 小鼠体内肿瘤的光动力治疗荧光图片;小鼠肿瘤组织剖面:(c) 色素染色图;(g) 免疫染色图.


原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201901791

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