《AM·综述》浙大张浩可/港科唐本忠院士: 刺激响应型AIEgens|am·综述|响应型|张浩可|晶体|极性

摘要

近年来，聚集诱导发光（AIEgens）的独特优势和令人兴奋的应用前景引发了该领域的蓬勃发展。其中，刺激响应型AIEgens受到了特别的关注并取得了令人瞩目的进展，并已在物理化学、材料科学、生物学和医学等诸多领域展现出巨大的潜力。最近，浙江大学张浩可副研究员 /香港科技大学唐本忠院士团队总结了刺激响应型 AIEgens 在力、光、极性、温度、电、离子和 pH 等七种最具代表性的刺激类型方面的最新成就。基于典型示例，说明了每种类型的系统如何为各种应用实现所需的刺激响应性能。它们背后的关键工作原理最终被破译和弄清楚，为下一代刺激响应发光材料的设计和工程提供新的见解和指导方针，以实现更广泛的应用。相关论文以题为 Stimuli-Responsive AIEgens 发表在《 A dvanced Materials 》上。

图解

在这篇综述中，根据外部刺激的类型，包括力、光、极性、温度、电、离子和 pH 值，对刺激响应型 AIEgens 进行了总结和分类（图 1）。由于篇幅限制，团队选择了一些有代表性的例子来说明每种类型的系统如何实现所需的刺激响应性能。然后，团队破译和找出基本的工作原理，并为设计和工程下一代刺激响应 AIE 材料提供新的见解和指导，以实现更广泛的应用。最后，还讨论了该研究领域的挑战和前景。

图1 用于 AIEgens 的不同刺激的示意图。

力响应 AIEgen

关于 MLC 或 ML 的形态转变通常与三种不同类型的相变有关，即从晶态到非晶态、从一种晶态到另一种晶态以及从非晶态到晶态。大多数报道的化合物的 MLC 或 ML 现象与伴随着机械力引起的有序分子堆积的破坏或改变的结晶到无定形转变有关。例如，如图 2a 所示，化合物 1 表现出多色和高对比度机械发光特性。所制备粉末的蓝色发射转化为黄色，研磨后最大发射峰从 451 nm 红移至 496 nm（图 2b）。根据粉末 XRD（PXRD）图（图 2c），研磨过程导致其结晶度显着降低，即转变为非晶态。

图2

如开头所述，晶体到晶体的相变是另一种典型的形态变化。关于金属络合物，Ito 等人已经提出了许多优雅而令人印象深刻的含金（I）系统，其中所涉及的独特亲热性可以通过机械力有效地操纵以诱导晶体到晶体的相变。最近，Zheng等人。报道了一种锌（II）配合物，该配合物也表现出研磨刺激的晶体到晶体的转变。如图 3 所示，在 647 nm 处具有最大峰值的原始红色发光晶体 2 在轻微研磨后转变为橙色发光微型晶体 2G，在 624 nm 处具有蓝移发射带。

图3 a,b) 2 和 2-SG 的分子结构。c) 顶部：室内光和紫外线下的肉眼可视化；底部：相应的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。d) 2 在不同状态下的荧光光谱。

图4 a) (R,R)-3 粉末及其不同晶体的 PXRD 图，通过同步加速器 X 射线测量。b) 通过在不同状态下从 DCM/己烷中结晶获得的 (R,R)-3 晶体（非发射）的 PL 光谱。c）所提出的力诱导固态分子运动和发光机制的示意图。

图7 a) 通过太阳模拟器的阳光照射，Cz-烷基-6 晶体的非接触式太阳能更新过程。b) Cz-烷基-6 掺杂系统在日光下的 ML 照片：样品掺杂了染料 B、染料 G、染料 Y 和染料 R（从左到右形成）。c) Cz烷基-6 的大面积多晶薄膜。d) 用于手指触摸光学传感器的 Cz-烷基-6:1% 染料 G 系统的 ML 装置。e) 用于气体流量传感器的Cz烷基-6:1% bye G系统的ML装置；该设备中 ML 开启的压力阈值经测量约为 5 kPa。

光响应 AIEgen

光是自然界中存在的另一种有吸引力的刺激，生命系统、植物或动物已经展示了太多利用环境光实现各种生物功能的优雅例子。许多 AIEgens 的特点是多芳基亚乙基部分表现出丰富的光物理和光化学活性。如图 8 所示，Tang 等人精心设计了一种二芳基乙烯衍生化合物 4。发现它在光照射下在不同的聚集态下表现出不同的发光转换。

图8 a) 照片显示 4 (20 × 10 − 6 m) 在 0 或 99% 水份 (f w ) 的 CH 3 CN/H 2 O 混合物中在 365 nm 紫外线照射下（上和中）以及在室温下的结晶过程中的荧光变化光（底部）。 b ）化学结构显示 4 在不同条件下的光环化（ PC ）和光二聚化（ PD ）。

图9 a) 化合物 7 的光二聚化示意图。b) 7 微晶在 365 nm 紫外光照射不同时间前后的 PL 光谱。c) 用肉眼观察紫外线照射时，7 号手套上的薄膜的运动。

极性响应 AIEgens

极性作为一个重要参数，在几乎所有生物的新陈代谢中都起着至关重要的作用。例如，极性的改变或丧失被认为是人类癌症的标志和先决条件。通常，许多具有扭曲和供体-受体（D-A）结构的 AIEgens 都表现出显着的溶剂化变色特性。以化合物11为例（图11a），11在非极性溶剂如己烷或环己烷中的溶液发出很强的绿光，发射峰位于≈540 nm，而其甲苯溶液则呈现亮黄色发射（≈570 nm）。随着溶剂极性（氯仿、乙酸乙酯和四氢呋喃）的增加，发射变为红色（≈640 nm）。

图1 0 a) 在紫外灯下拍摄的照片和 11 在不同溶剂中的相应发射光谱：1 = 己烷；2 = 环己烷；3 = 甲苯；4 = 氯仿；5 = 乙酸乙酯；6 = 四氢呋喃；7 = 乙醇；8 = 乙腈；9 = 甲醇。b) 在紫外线照射下拍摄的具有不同比例水的 THF/水混合物中 11 的最大发射强度 (I) 和波长 (λ em ) 的照片、发射光谱和图。c) BODIPY 染料荧光变化的拟议机制。

温度响应型 AIEgens

到目前为止，已经开发了无数令人兴奋的AIEgens，具有各种功能。总体而言，这些 AIEgen 的一般设计原则基于广泛接受的 RIM 机制，包括限制分子内旋转 (RIR) 和限制分子内振动 (RIV)。利用这一原理，开发了一种简单的方法，称为 ADEtect（“AIE”和“检测”的组合），用于测量聚合物的玻璃化转变温度 (T g )。如图 14a-c 所示，在相同设置下通过相机监控在不同温度下拍摄的 AIEgen 掺杂聚合物薄膜的荧光图像。通过使用MATLAB程序，计算每幅图像中选定区域的灰度。

图1 4 a) ADEtect 测量的设备设置。b) 在不同温度下拍摄的 (Z)-4-benzylidene-2-methyloxazol-5(4H)-one (TPA-BMO) 掺杂聚苯乙烯 (PS) 薄膜的照片。c) 数据处理程序的说明。d) TPA-BMO掺杂PS薄膜的相对灰度(G/G 0 )随温度的变化和相关的拟合曲线以及拟合曲线的二阶导数，揭示了不同温度下G/G 0 的变化。

将 TICT 效应集成到 AIEgens 中不仅可以实现小分子系统中响应温度的溶剂疏水性（或极性）的可视化，而且可以直接揭示溶质-溶剂相互作用和亲水/疏水转变通过可视化极性变化在超分子系统中温度刺激下的溶质。如图 16a,b 所示，具有 D-A 结构的水溶性 AIEgen 13 在不同溶剂中表现出明显的极性依赖性发射，表明明显的 TICT 特征。为了测试聚合物薄膜的极性，将 13 物理掺杂在 PS 中，并分别化学掺入聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶中。当从 20°C 加热到 60°C 时，PNIPAM 水凝胶中 13 的 PL 光谱表现出明显的蓝移和增强，并且相应的发射颜色从红色变为蓝色（图 16c）。这种现象表明环境极性随温度升高而降低，13周围的疏水性增加。更重要的是，在 60°C 下 PNIPAM 水凝胶和传统疏水性 PS 膜中 13 的相似 PL 曲线给出了在热刺激下 PNIPAM 完全亲水到疏水转变的直接信号。

图1 6 a) 13 在水中 (10 × 10 − 6 m) 和固态的发射光谱。 b) 13 在不同极性溶剂中的荧光照片和 PL 光谱：甲苯 (Tol) 、丙酮 (Ace) 、二甲基亚砜 (DMSO) 和甲醇 ( 甲醇 ) 。 c) 13 种掺入 PNIPAM 水凝胶在 20 和 60 °C 下的发射光谱，激发波长为 380 nm 。 d ）PNIPAM网络在热诱导水合和脱水过程中分子亲水性和形态疏水性的可逆转变。

电响应 AIEgens

由于其有吸引力的应用，电响应材料几十年来一直是研究最多的材料之一。其中，响应于外部电化学或电刺激而显示发光强度或波长的可逆调制的电荧光变色（EFC）材料由于其在存储设备、显示器和传感器中的潜在应用近年来逐渐引起了研究人员的关注。

三苯胺 (TPA) 的衍生物在包括 EFC 材料在内的不同光电材料中得到了广泛的研究，因为 TPA 中氮的孤对电子可以有效地氧化为阳离子自由基状态。然而，由于它们的 ACQ 精华，它们中的大多数表现出低荧光对比度。为了提高 TPA 衍生物的荧光效率，将 AIE 活性 TPE 组分整合到氧化还原活性 TPA 中以构建新型电活性 AIE 聚合物。以P14为代表，如图17a、b所示，位于P14/n-庚基紫精（HV，作为平衡电荷的反层）EFC装置≈550 nm处的初始亮黄色荧光逐渐减弱为暗态，外加电位从 0 增加到 1.4 V。

图1 7 a,b) 施加电压与 PL 强度的关系图以及基于 P14/HV（厚度为 200 ± 10 nm 的聚合物薄膜；用 365 nm 紫外光照射）的 EFC 设备的相应行为。c) 在 554 nm (λ ex = 353 nm) 监测的 1.4 V 和 -1.5 V 之间，在 360、60、30、20 和 10 秒的 P14/HV 的不同步进循环时间估计荧光切换时间。d) 基于 P14 的设备 EFC 切换，循环时间为 30 秒。

离子响应 AIEgen

离子在各种生理活动和生物功能中起着至关重要的作用，而一些重金属离子在生物蓄积后会造成严重的环境污染并表现出对人体的高毒性。

分子组装形成开启聚集态是设计离子响应型 AIEgens 最常用的原理，它利用了 RIM 机制。代表性示例之一是以下 Ca 2+ 响应 AIE 系统。众所周知，毫摩尔级的Ca 2+ 离子浓度与高钙血症、软组织钙化、骨微裂等多种疾病有关，因此毫摩尔级Ca 2+ 的检测非常重要。如图 19a 所示，通过使用亚氨基二乙酸酯基团作为螯合配体开发了基于水杨连氮 (SA) 的 AIEgen SA-4CO 2 Na。

图1 9 a) AIE 活性探针 SA-4CO2Na 对 Ca 2+ 的点亮检测图示。b) 用不同浓度的 CaCl 2 在 PBS 缓冲溶液中处理的 SA-4CO 2 Na 的 PL 光谱。c) 添加不同浓度的 Ca 2+ 离子后，SA-4CO 2 Na 在 560 nm 处的相对荧光强度变化。d) 用 i,ii) 钙黄绿素和 iii,iv) SA-4CO 2 Na 染色的牛骨微裂纹的 CLSM 图像。e) SA-4CO2Na 染色的基于 HA 的支架上的斑点缺陷和微裂纹的 CLSM 图像。

pH 响应型 AIEgen

作为一种重要的化学刺激物，pH 在许多化学和生物过程中起着至关重要的作用。环境和生理pH值与正常状态的严重偏离会对生态平衡和人类健康构成巨大威胁。

最近，报道了一种具有双峰比率荧光变化的新型 pH 响应 AIEgen CSMPP。其独特的 pH 响应行为基于 CSMPP 内部吡啶基团的非质子化和质子化状态之间的转换，这会导致不同程度的分子内电荷转移。如图 22a 所示，当 pH 从 6.80 降低到 2.60 时，503 nm 处的峰强度逐渐减弱，在 615 nm 处出现新的较长波长的峰，其发射强度逐渐增强。

图2 0 a) 荧光光谱和 b) CSMPP (10 × 10 − 6 m) 在 2.60–6.80 的 pH 范围内的缓冲液（含有 2% DMSO ）中的荧光强度比 (I 615 /I 503 ) 。 c) 不同时间 (12 、 24 、 48 、 96 和 120 hpa) 截肢前和截肢后青鳉幼虫尾鳍的 CSLM 图像。

总结

尽管刺激响应型 AIEgens 的研究取得了重大进展，但将这些智能响应系统引入现实生活中仍然是一个巨大的挑战。从这个意义上说，智能AIE材料从基础结构设计到探索新的应用方向还有巨大的提升空间。正因为如此，针对这个有趣的领域，提出了以下一些观点：

1 . 在刺激响应AIE系统的设计中，可以考虑一些重要的方向： i）考虑到材料功能的多样性，电响应和磁响应AIEgens的发展远远落后于其他类型。并且迄今为止仅知道有限的示例。因此，目前迫切需要开发这类材料。同时，在设计新型 AIEgen 时可以考虑一些新的但有用的刺激类型，包括超声、射频（非电离辐射）和 X 射线（电离辐射）等高能辐射，这些在临床诊断和治疗中都很重要。 ii) 就目前开发的材料而言，AIEgens 对外部刺激的响应灵敏度仍有待大幅提高，以满足更广泛的实际应用（如更精细的生物系统）的高要求。以力响应系统为例， AIEgens 的 PL 改变通常需要一定强度的机械力的刺激，例如研磨、剪切、刮擦，甚至高压。这种宏观刺激反映了材料的灵敏度不够高。如果灵敏度高，力敏 AIEgens 可以应用于微观细胞水平，可以预期基于 PL 的技术可以作为一种极其灵敏的检测工具，在干细胞分化过程中发出爬行痕迹的信号。对于热响应 AIE 系统，如果我们能够通过小于 1 度的温度变化实现显着的 PL 变化，它们将呈现更令人兴奋和更广泛的生物学应用，例如温度分布的可视化和由病变引起的生物体的细微温度变化。 iii) 考虑到原子经济性和实际应用需求，开发制备简单且具有多重刺激响应功能的AIE材料也很有吸引力。

2 . 在探索新的应用方向方面，由于脂质体、胶束、纳米乳剂、聚合物纳米颗粒等不同治疗性纳米载体越来越多地用于医疗目的，因此刺激触发的药物或基因递送应该是一个有前景的发展方向。可以通过光、热、电、磁场或极性、离子等各种外部或内部刺激实现药物的释放，借助发光可视化和监测，将在该领域引起重大突破，意义重大。用于当前药物化学的发展。此外，电等某种刺激下神经传导的超分辨率成像和可视化也是一个令人着迷的方向，有望为周围神经疾病的诊断和治疗提供巨大帮助。同时，如果力响应AIE材料能够在飞机飞行过程中等一些实际案例中成功地用于可视化气流变化，也将为它们的应用开辟一条新途径。最终，预计这篇综述可以为下一代刺激响应发光材料的设计和工程提供新的见解和指导，以实现更闪亮的应用。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202008071