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基于AIEgens的暗态跨键能量转移及其高效检测Hg2+的应用
注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
能量转移在人工光合作用、太阳能电池、化学检测、生物成像及生物大分子构象变化监测等方面有广泛的应用。提高能量转移效率（energy transfer efficiency, ETE）有利于光能的高效转化和利用。近日，香港科技大学的唐本忠（点击查看介绍）团队以AIEgens为能量供体，发展了一种新型的暗态跨键能量转移机制，并基于该机制设计合成了高效的比例计量型Hg2+探针。
聚集诱导发光（AIE）是唐本忠团队在2001年首次提出的概念。由于AIE分子(AIEgens)独特的聚集态高效发光特性,受到了国内外同行的广泛关注,现已有数十个国家的上百个课题组开展有关AIE的研究,在发展新AIE分子,AIE机理,AIE材料在光电器件、生物探针与成像、化学传感、智能材料应用等领域均取得了显著的成果。AIE已经成为发光材料和光物理等领域的一个研究热点,并被中国科学院文献情报中心和汤森路透联合发布的《2015研究前沿》报告列为化学领域的10大研究前沿的第二位。此外, 2016年Nature的News Feature专栏以“The nanolight revolution is coming”(纳米光革命正在来临)为题重点介绍了AIE材料,并评价AIE材料的发现为当前常用的量子点与发光聚合物点存在的问题提供了解决方案,是新一代的纳米发光材料。
AIEgens在溶解状态下量子产率很低，作为能量供体可以有效降低荧光泄漏，从而降低背景荧光，提高信噪比。香港科技大学团队选取了目前应用最广泛的AIE骨架，四苯基乙烯（tetraphenylethene, TPE），为体系的能量供体。由于TPE在溶液中非辐射跃迁速率较快（约1011-1012s-1），会与能量转移过程竞争而降低能量转移效率。传统的荧光能量转移（FRET）机制需要满足供体发射光谱和受体吸收光谱有较好的重叠，限制了供体与受体选择的多样性。跨键能量转移（TBET）机制对光谱重叠度要求较低，且能量转移速率可达1015s-1级别。因此，唐本忠团队采用TBET，以罗丹明衍生物为能量受体，发展了新型的暗态跨键能量转移（DTBET）机制。光物理实验表明，发展的DTBET体系中，斯托克斯位移可达280 nm，ETE可达99%，且即使在ETE为69%的情况下几乎观察不到供体荧光的泄漏。团队还结合理论计算，研究了DTBET体系结构性能之间的关系，发现能量供体偶极矩方向与连接体（linker）轴线之间的夹角越小，ETE效率越高。
在此基础上，团队还利用AIEgens在聚集状态下高效发光的性质，设计合成了高性能的比例计量型Hg2+探针。探针自身在含水溶剂中溶解度较低，导致聚集而发射较强的蓝绿色荧光。与Hg2+发生反应后，生成罗丹明发光团，同时在含水溶剂中溶解度提高，发生DTBET过程，进而发射出强烈的橙红色荧光。探针对Hg2+表现出专一的选择性，荧光强度比值增强达6000倍以上，检测限低至0.3 ppb,明显低于美国环境保护组织规定的饮用水汞含量标准（2 ppb）。此外，细胞成像实验结果表明，DTBET探针可用于检测活的HeLa细胞中Hg2+。
该研究提出了一种新型的DTBET机制，为设计基于AIE的高性能比例计量型荧光探针提供了新的思路，同时也有利于推动AIEgens在人工光合作用、太阳能电池等领域的潜在应用。
这一成果近期发表在《Chemical Science》上，文章的第一作者是香港科技大学博士后陈韵聪和张卫杰。
该论文作者为: Yuncong Chen, Weijie Zhang, Yuanjing Cai, Ryan T. K. Kwok, Yubing Hu, Jacky W. Y. Lam, Xinggui Gu, Zikai He, Zheng Zhao, Xiaoyan Zheng, Bin Chen, Chen Gui and Ben Zhong Tang
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
AIEgens for dark through-bond energy transfer: design, synthesis, theoretical study and application in ratiometric Hg2+ sensing
Chem. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C6SC04206F
唐本忠院士简介
唐本忠，1957年2月生，1982年于华南理工大学获学士学位，1985年、1988年先后获日本京都大学硕士、博士学位。曾在多伦多大学化学与药学系从事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高级研究员。1994年至今历任香港科技大学化学系助理教授、副教授、教授、讲座教授、张鉴泉理学教授。2006年受聘为浙江大学“光彪讲座教授”。2009年当选中国科学院院士。2012年至今担任华南理工大学-香港科技大学联合实验室主任。2012年起受聘为华南理工大学双聘院士。2012年至2014年间兼任香港科技大学生物医学工程学系讲座教授。2015年担任国家工程技术研究中心香港分中心主任。
主要研究领域包括：（1）设计合成新型高性能聚合单体，构筑新型大分子，（2）探索适用于线性和超支化共轭有机或有机金属聚合物合成的新型聚合体系，开发适应于多种官能团的具有立体选择性的催化体系和聚合反应，（3）研发具有光、电、磁和生物功能的先进材料特别是具有聚集诱导发光特性的荧光材料并拓展这些材料在诸如光电器件和灵敏探针体系等领域中的应用。
已发表学术论文900多篇，总引约40,000次，h因数为110。在学术会议上作了250多场邀请报告，拥有10多项专利。现任ACS新闻週刊Noteworthy Chemistry专栏科学新闻撰稿人，Materials Chemistry Frontier (RSC)总主编，英国皇家化学学会（RSC）高分子化学丛书主编，Polymer Chemistry（RSC）和Progress in Chemistry杂志副主编，以及20多家国际科学杂志顾问、编委或客座编辑。先后获得多项荣誉及奖励，于2002年获得由国家自然科学基金授予的“杰出青年学者”（B类，海外华裔科学家）称号，2007年获国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖，2012获Science China Chemistry杰出贡献奖、美国化学学会高分子材料部：科学与工程分会Macro2012讲座奖等，2014年获伊朗国家科技部科学技术研究组织颁发的Khwarizmi国际奖和2015年获广州市荣誉市民。
http://www.x-mol.com/university/faculty/7059
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？
A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发新的AIE分子，AIE机理和AIE材料新的应用。利用AIE分子的特殊性质，结合能量转移机制，发展高效的比例计量荧光探针，用于不同物质化学定量检测和生物成像。
Q：在研究过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：本项研究中最大的挑战是如何提高能量转移效率，使受激发后AIE分子的能量在发生快速的非辐射跃迁回到基态之前将能量有效地转移至受体分子。能量转移机制的选择，分子结构的设计等都会影响到能量转移的效率。我们通过合理的设计分子的连接方式结合理论计算，发现了该体系中结构与性能之间的关系。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：该研究提出了一种新型的DTBET机制，不仅可用于Hg2+的高灵敏度高选择性的定量检测，还对基于该机制设计其他物质的荧光探针有指导意义。在化学检测，生物成像方面都有广泛的应用前景。同时，由于该机制能实现高效率的能量转移，克服传统的ACQ现象，在人工光合作用、太阳能电池等领域也有潜在应用价值。