基于聚集诱导发光材料的生物传感系统研究

传统的荧光材料进入人类社会已近700余年，现已广泛应用于涂料、化学、生化分析、药物示踪等各个领域。近年以来，以发光材料为技术基础并结合合成生物学、纳米材料科学等促进了新型功能材料的研究进展，为生物学、医学以及材料科学等领域注入了新的活力。  

自2001年，聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，AIE）现象被正式定义以来，我国部分先进的研究团队长期专注于该领域技术的研究与应用探索。日前，来自中国科学院深圳先进技术研究院的张鹏飞副研究员深入介绍了近
年以来我国聚集发光材在生物化学传感与药物递送方面研究进展和应用方向。  

张鹏飞副研究员   张鹏飞现为中国科学院深圳先进技术研究院医药所纳米中心副研究员，长期从事聚集诱导发光新材料、纳米分析新方法及药物递送新技术的研究工作。

研发出基于聚集发光原理的多功能光学探针，在智能传感、功能成像、生物检测、免疫治疗等方面具有广阔的应用前景。他在多个国际知名杂志发表SCI源刊论文百余篇，申请相关专利50余项，先后主持国家自然科学基金项目、广东省国际合作项目、深圳市基础研究重点项目、中国科学院国际合作项目等，参与了科技部国家重点研发计划中国科技部政府间国际科技创新合作重点专项及合成生物学专项等重大研究项目多项。  

我国院士首次提出“聚集诱导发光”原创概念   从历史上看，“聚集诱导发光”并非全新的发现成果。早在18世纪，科学家Edward Daniel Clarke和Sir George G. Stokes先后提出了类似发现。例如Stokes在报道中写道，“这些氰亚铂酸盐只在固态发光，它们的溶液看上去与水无异。”也就是说，这种分子处于溶液状态时不发光，其在聚集态和固体状态下才发光。但是，这些发现在当时并未引起重视。  

阻碍其发展的主要原因在于，荧光科学领域已在早期形成了通识性概念，即“聚集导致猝灭”（aggregation-caused quenching，ACQ）。ACQ现象表明：很多有机和无机的荧光分子在低浓度条件下可以高效发光，其检测水平随着浓度呈线性增长；但到高浓度或者聚集状态下，发光能力极大减弱甚至完全消失，这就是聚集猝灭现象。不过，由于其在性状上的固有限制，使得该类材料在应用领域中大大受限。  

2001年，香港科技大学的唐本忠院士及其团队注意到，一类有机分子在溶液中不发光，在溶液挥发后，分子变为聚集状态或固态时表现出增强的发光特性。由于这种发光增强是分子聚集，也就是分子运动受限所导致的，因此他将这种现象定义为“聚集诱导发光”（Aggregation-Induced Emission，AIE）。具备这种特性的荧光分子被称为AIEgen。

 

▲图丨传统光敏剂的聚集荧光猝灭与六苯基噻咯的聚集诱导发光（AIE）效应对比（来源：ACS Publications）   张鹏飞介绍，针对AIE的研究可以从分子运动的角度来理解：该类分子处于分散态时将会剧烈运动，只有当分子由于发生聚集或空间限域等原因导致分子内运动受限，其能够在吸收光以后保持一定的构象而不发生运动，从而发出加强的荧光。  

“AIE现象及其材料的发展具有重要的科学价值和实际意义，对于该类材料而言，仅需调整分子在分散态与聚集态之间的变化，即可赋予其全新的性质，同时，分子内运动受限的基本原理为其在传感器的开发领域中占据了一席之地。”张鹏飞介绍道，“相比于ACQ系统，AIE材料的固态发光特性特别适用于脱离溶液的传感器系统，并且具有更好的响应和光稳定性。”  

总体而言，AIE材料由于启发人们开始关注分子聚集态呈现出传统光敏材料在分子态所不具备的新特性，为技术应用的发展提供了无限可能。2020年，AIE研究入选国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）评选的年度化学领域十大新兴技术。  

多重优势，弥合各个领域的检测需要   聚集诱导发光的现象与概念推动了对有机发光机制以及发光材料分子设计、制备和应用等方面的深入研究，各种类型的聚集诱导发光材料在智能传感、生物成像、生物安全等实际应用方面显示出巨大的潜力。

目前，其衍生产品主要在于三个方向：  

高效率光电转化材料和器件的开发与应用，即以OLED为主的液晶显示和照明领域，发展出一系列具有自主知识产权的电致发光材料及工艺设备；  

高灵敏度和高特异性的智能传感设备，包括指纹检测、爆炸物探测、细菌甄别、食品质量监测、化学传感器等，涉及多类别复合型和高通量检测设备；  

以及高分辨率和对比度的成像和示踪设备，包括血管成像、细胞器影像、细胞追踪等，其将结合精准医疗，从而满足医疗健康和生物、制药等领域的重大需求。  



（来源：Chinese Journal of Chemistry）  

2015年，张鹏飞来到香港科技大学，跟随唐本忠院士进行博士期间的研究工作，其专注于开拓基于AIE发光材料的新分析方法与多功能成像探针。

利用该类材料独特的激活点亮发光特性与固态发光特性打造出新型化学/生物传感器，从而探索光学探针在智能传感、功能成像、生物检测等方面的应用。  

“当前的AIE技术已经成为了一种通用的平台技术来帮助我们设计传感器件。”张鹏飞介绍，“只需在AIE分子上引入一些分子识别基团，经过修饰的AIE分子就可以充当传感器中的换能器，从而将待测的物理或化学信号转换为荧光信号。”  

基于AIE材料的传感器件由于具备无水免洗、实时原位、快速检测以及高信号强度、高选择性的优势，弥合了来自各个领域中的检测需要。

举例来说，发生在飞机、航天器上的材料断裂往往会带来致命的灾难，但在宏观上这些微小的断裂很难被观测。而利用AIE材料分子运动受限的特点，研究人员可以快速排查到断裂部位。并且不需要借助电镜，就可以进行实时原位的分析。  

2018年，张鹏飞与唐本忠院士及其团队合作研发的AIE转基因现场检测试剂盒及配套仪器，实现了转基因食品的快速可视化检测。对于农产品和食品来说，检测时间越长，变质的可能性就越大，而这种快速的可视化检测满足了来自食品检测效率方面的需求。  

AIE材料成为医学诊断与疾病治疗领域的高效工具  

近年以来，张鹏飞团队逐渐关注于来自生物医学领域的应用需求，结合生物医学新发现与新机制，该团队致力于探索新一代疾病的光学诊疗方法与技术，试图为医学诊断与疾病治疗领域提供新工具。  

“有趣的是，分子聚集现象在生物学领域中也并不罕见。例如常见的阿尔兹海默症和帕金森症，均表现出特定的蛋白质聚集。这些现象就特别适合基于AIE材料的检测，从而进一步展开研究工作。”张鹏飞表示，除此之外，AIE还可以被修饰在一些药物载体或者探针上面，从而更好地针对药物递送开展研究。  

从2012年开始，张鹏飞长期围绕药物及生物体的体内示踪开发近红外光学探针，迄今为止，已经开发出多种近红外光学探针用于生物大分子药物/载体、病毒、细胞等的示踪。

2020年，该团队开发出近红外二区AIE光学探针用于仿生纳米机器人系统的示踪与定位。该系统结合AIE活性聚合物与自然杀伤细胞（NK）模拟纳米机器人，可以在体内跨越血脑屏障并且主动积聚在脑基质中的胶质母细胞瘤中，针对脑胶质治疗过程进行实时监测与定位，为纳米尺度开展机器人的开发提供了便携的 “GPS” 定位系统。

 

（来源：ACS Nano）  

日前，基于科技部政府间合作项目的契机，张鹏飞协同中国科学院深圳先进技术研究院的多位研究人员与唐本忠院士团队再发新刊，制备了一种具有近红外特性的DC膜仿生纳米聚集体。

这种纳米颗粒由负载AIE染料的纳米颗粒内核和包覆于颗粒外的成熟DC细胞膜组成，可以激活T细胞分泌细胞因子，抑制肿瘤细胞内热休克蛋白（HSPs）的表达，使肿瘤细胞在低温光热的条件下对热更敏感从而抑制肿瘤的生长，从而实现低温光热和免疫治疗的协同作用。

 

▲图丨制备的仿生纳米颗粒在体内的肿瘤靶向性（来源：Advanced Funtional Materials）  

“对于生物检测而言，基于AIE材料的生物探针可以提供更低的背景和更可靠的信号。同时，AIE探针还具有无需洗涤步骤的优点，大大节省了操作时间，并且避免了检测样本信息的损失。”在此之后，张鹏飞还针对AIE发光剂（AIEgens）的制造与发现展开进一步讲解。  

近年以来，出于对有机合成的AIEgens潜在的低生物相容性、高细胞毒性和环境污染等方面的担忧，人们开始研究自然衍生的AIEgens，从而实现安全、可靠的生物医学研究。

  “我们在草药中发现，部分天然存在的化学结构具有荧光发射和AIE特性，其将在生物成像和治疗方面具有巨大潜力。”张鹏飞认为，与传统的AIEgens相比，天然BioAIEgens，例如异喹啉类生物碱、黄酮类等分子，具有更优的生物相容性、可降解性，并且便于大量获得。而且不需要有机合成，因此污染更少，生产成本更低。因此，天然BioAIEgens的研究，将有助于进一步推动AIE材料在生物医学和传感应用领域的开发工作。

  “迄今为止，我们对于AIE的研究仅仅到达了该领域中的冰山一角。”张鹏飞最后总结道，“在发现了AIE现象之后，我们需要更加关注于分子聚集之后所带来的性质上的变化。不仅仅在于波长、颜色，其在寿命等诸多方面均可能带来新的影响，从而对于荧光探针和器件的设计与研究工作产生进一步的启发。”   






审核编辑：刘清