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癌細胞無處遁形？AIE材料“點亮”腫瘤，唐本忠中科院團隊登頂JACS

文章來源：賢集網更新時間：2025-04-29 14:58:34

在材料科學與化學領域，唐本忠院士無疑是一位熠熠生輝的領軍人物。身為中國科學院院士、高分子化學家，他同時擔任著香港中文大學（深圳）校長學勤講座教授以及理工學院院長等重要職位。

長期以來，唐本忠院士深耕于高分子化學和先進功能材料研究領域，其在聚集誘導發光（Aggregation-Induced Emission，簡稱AIE）這一前沿領域所取得的原創性成果，尤為引人注目，他也當之無愧地成為AIE概念的提出者和該研究方向的引領者。而近期，唐本忠院士團隊再次傳來喜訊，在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上發表了一項重要研究成果，為有機發光材料領域帶來了新的變革與突破。

別具一格的AIE材料

AIE，即聚集誘導發光，從概念上理解或許稍顯生澀，但其實它描述的是一種極為獨特的發光現象。在自然界中，存在著一類特殊的物質——發光材料，這類物質在吸收光之后，自身能夠發出淡淡的熒光，并且這種熒光屬于冷光，與常見的發熱燈管不同，觸摸時絲毫不會感覺到熱度。在這些發光材料內部，有著一群如同“小精靈”般負責發光的分子。當處于安靜狀態的分子受到光的照射，會瞬間轉變為活潑態，而在從活潑態回歸安靜態的過程中，熒光便隨之產生。

然而，過去科學家們發現，大多數傳統發光材料存在一個局限性：它們僅在液體環境中能夠發光，一旦轉變為固態，發光能力便會大幅減弱，甚至完全消失。但AIE材料卻打破了這一常規認知，呈現出相反的特性。當AIE材料處于溶液狀態時，其中發光的“小精靈”分子能夠自由活動，在此過程中會將吸收的能量消耗殆盡，無法為發光提供足夠能量；可一旦這些材料轉變為固態，分子們緊密地擠在一起，活動空間受到極大限制，此時便只能通過發光來消耗能量，從而展現出獨特的發光性能。

AIE材料所具備的這種特殊性質，使其擁有了眾多令人矚目的特殊技能。在環境監測領域，當需要測定水體污染物類別時，具有特異性的AIE材料表現得極為敏感。它能夠快速檢測出水體中的有害物質，例如重金屬離子。

其原理在于，AIE探針分子與金屬離子相遇后會形成螯合物，此時螯合物會閃閃發光，檢測人員僅通過肉眼觀察便能迅速判斷出水體污染源。在刑偵領域，AIE粉末也發揮著重要作用，可用于犯罪現場的指紋檢測。相較于傳統用于指紋檢測的金粉、碳粉，AIE粉末不僅檢測結果更為精確，而且對人體的毒性更小，大大提升了檢測的安全性與準確性。

而在眾多應用場景中，醫療健康領域對AIE材料的關注熱度極高。在醫學診斷過程中，人眼很難識別腫瘤附近分散的癌細胞，這給疾病的精準診斷與治療帶來了極大挑戰。但借助AIE材料，這一難題有望得到有效解決。通過向體內注入特殊的AIE材料，癌細胞能夠被清晰地“照亮”，醫生可以借此更加精準地甄別癌細胞，為后續的醫療操作提供有力支持，顯著提高診斷的準確性與治療的有效性。

有機磷光材料的突破之旅

一直以來，有機磷光材料雖然具備獨特的光物理性質，如大斯托克斯位移、長發光壽命等，在光電顯示、防偽識別及人機交互等前沿技術領域展現出了巨大的應用潛力，但由于其存在激發態壽命短、亮度低等問題，嚴重制約了在實際場景中的廣泛應用。唐本忠院士團隊此次的研究，正是聚焦于這一痛點，從分子官能團這一微觀層面入手，開展了深入且富有成效的探索。

在研究過程中，團隊發現，與傳統用于修飾的羧基、硼酸或氨基基團不同，磺酸基團（-SO?H）在提升有機磷光材料性能方面具有關鍵作用。磺酸基團獨特的三角錐結構和強極性，使其在分子體系中扮演著多重關鍵角色。

一方面，它能夠有效增強分子的系間竄越效率，簡單來說，就是能夠促進三線態激發態的形成，為實現高效磷光發射奠定基礎；另一方面，磺酸基團還可通過增強氫鍵作用，顯著抑制非輻射能量耗散，減少能量的無效損失，從而使材料能夠將更多的能量以發光的形式釋放出來，最終實現了前所未有的亮度與壽命雙優表現。

以團隊研究中的典型磷光分子BP-SA為例，在常溫環境下，該分子展現出了超過20%的磷光量子效率，并且其持續發光時間長達20秒。這樣的性能表現，在同類有機磷光材料中脫穎而出，處于領先地位，充分彰顯了磺酸基團修飾策略的有效性與優越性。

高對比度“光寫字”顯示新技術

在取得材料性能突破的基礎上，唐本忠院士團隊進一步發揮創新思維，將這些新型磷光分子巧妙地摻雜進聚乙烯醇（PVA）構建的柔性透明薄膜中，成功制備出了性能卓越的發光介質。這種發光介質具有極高的透光率，超過97%的透光率使得其在保持良好透明性的同時，能夠高效地實現光信號的記錄與顯示。

當受到紫外光激發時，這些薄膜展現出了令人驚嘆的特性——能夠以肉眼清晰可見的方式記錄和保持光的軌跡，從而實現了無需墨水或電源的“光寫字”效果。通過嚴謹的實驗驗證，該材料體系在圖像顯示方面具備出色的性能。

其圖像銳度極高，對比度表現優異，圖像信噪比達到了39.2，光跡對比度更是高達48.0，而模糊度僅為0.24。這一系列優異的參數表明，該材料體系能夠呈現出清晰、鮮明的圖像與光跡，為信息的準確記錄與高效傳遞提供了有力保障。

更為重要的是，得益于磺酸基團良好的通用性，研究團隊成功將這一創新策略應用于多種不同發光能級的分子骨架。通過巧妙的設計與合成，實現了從深藍到紅色的全色有機磷光材料的開發。這些不同顏色的材料在保持高透明度的同時，均展示出良好的發光性能一致性與可調節性。這一成果意義非凡，為多色信息顯示和高安全性防偽標識等領域提供了堅實的材料基礎，極大地拓展了有機磷光材料的應用范圍與應用場景。

基于磺酸基磷光材料所取得的突破性性能，唐本忠院士團隊進一步開發出了實時光寫入顯示系統，該系統展現出了極為廣闊的應用前景。系統以高透明薄膜作為信息承載的載體，搭配紫外光筆作為書寫工具。當使用紫外光筆在薄膜上進行書寫操作時，能夠實現“落筆成輝”的動態顯示效果。無論是復雜的漢字結構，還是精細的英文連筆，線條邊緣均能保持銳利清晰，呈現出極高的書寫精度。

更為奇妙的是，該系統在動態書寫過程中還能夠敏銳地捕捉速度變化：當書寫速度較慢時，線條呈現出飽滿明亮的狀態；而當書寫速度快速劃過時，線條則呈現出漸變淡出的效果。這種獨特的速度感應特性，為手勢交互和動態信息反饋提供了全新的維度，極大地豐富了人機交互的形式與體驗。

此外，該系統還具備出色的穩定性和實用性，經過測試驗證，其支持80次以上的重復擦寫操作。這意味著用戶可以多次使用該系統進行信息的記錄、修改與更新，有效降低了使用成本，提高了材料與系統的使用效率，為其在實際生產生活中的廣泛應用提供了有力支撐。

此次研究由香港科技大學、香港大學及香港中文大學（深圳）攜手合作完成，研究過程中得到了香港研究資助局、深圳市科技創新委員會等項目的大力支持。香港科技大學博士生李欣和博士后李文朗在研究中貢獻突出，為該論文的共同第一作者；香港科技大學唐本忠院士、郭志宏教授、林榮業教授以及香港大學David L. Phillips教授作為研究的核心引領者，成為該論文的共同通訊作者。

這項研究成果具有重要的科學意義與應用價值，它首次將“分子官能團工程”這一創新理念引入到有機磷光材料設計領域，徹底突破了以往僅僅聚焦分子主骨架的傳統研究范式。通過深入探究官能團結構與激發態行為以及材料宏觀性能之間的內在聯系，建立起了一座全新的橋梁，為有機光功能材料的設計與開發開辟了一條嶄新的路徑。

展望未來，隨著相關研究的不斷深入與拓展，基于唐本忠院士團隊的這一成果，可穿戴設備、無墨電子紙和動態防偽標簽等新興應用領域有望迎來蓬勃發展的新局面，真正開啟“光為筆，膜為紙”的智能顯示新時代，為人們的生活與生產帶來更多的便利與創新體驗。

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