香港科大唐本忠教授：設計合成了高效的比例計量型Hg2+探針
2017-02-27 來源：x-mol
能量轉移在人工光合作用、太陽能電池、化學檢測、生物成像及生物大分子構象變化監測等方面有廣泛的應用。提高能量轉移效率（energy transfer efficiency, ETE）有利于光能的高效轉化和利用。近日，香港科技大學的唐本忠團隊以AIEgens為能量供體，發展了一種新型的暗態跨鍵能量轉移機制，并基于該機制設計合成了高效的比例計量型Hg2+探針。
聚集誘導發光（AIE）是唐本忠團隊在2001年首次提出的概念。由于AIE分子(AIEgens)獨特的聚集態高效發光特性,受到了國內外同行的廣泛關注,現已有數十個國家的上百個課題組開展有關AIE的研究,在發展新AIE分子,AIE機理,AIE材料在光電器件、生物探針與成像、化學傳感、智能材料應用等領域均取得了顯著的成果。AIE已經成為發光材料和光物理等領域的一個研究熱點,并被中國科學院文獻情報中心和湯森路透聯合發布的《2015研究前沿》報告列為化學領域的10大研究前沿的第二位。此外, 2016年Nature的News Feature專欄以“The nanolight revolution is coming”(納米光革命正在來臨)為題重點介紹了AIE材料,并評價AIE材料的發現為當前常用的量子點與發光聚合物點存在的問題提供了解決方案,是新一代的納米發光材料。
AIEgens在溶解狀態下量子產率很低，作為能量供體可以有效降低熒光泄漏，從而降低背景熒光，提高信噪比。香港科技大學團隊選取了目前應用最廣泛的AIE骨架，四苯基乙烯（tetraphenylethene, TPE），為體系的能量供體。由于TPE在溶液中非輻射躍遷速率較快（約1011-1012s-1），會與能量轉移過程競爭而降低能量轉移效率。傳統的熒光能量轉移（FRET）機制需要滿足供體發射光譜和受體吸收光譜有較好的重疊，限制了供體與受體選擇的多樣性？珂I能量轉移（TBET）機制對光譜重疊度要求較低，且能量轉移速率可達1015s-1級別。因此，唐本忠團隊采用TBET，以羅丹明衍生物為能量受體，發展了新型的暗態跨鍵能量轉移（DTBET）機制。光物理實驗表明，發展的DTBET體系中，斯托克斯位移可達280 nm，ETE可達99%，且即使在ETE為69%的情況下幾乎觀察不到供體熒光的泄漏。團隊還結合理論計算，研究了DTBET體系結構性能之間的關系，發現能量供體偶極矩方向與連接體（linker）軸線之間的夾角越小，ETE效率越高。
在此基礎上，團隊還利用AIEgens在聚集狀態下高效發光的性質，設計合成了高性能的比例計量型Hg2+探針。探針自身在含水溶劑中溶解度較低，導致聚集而發射較強的藍綠色熒光。與Hg2+發生反應后，生成羅丹明發光團，同時在含水溶劑中溶解度提高，發生DTBET過程，進而發射出強烈的橙紅色熒光。探針對Hg2+表現出專一的選擇性，熒光強度比值增強達6000倍以上，檢測限低至0.3 ppb,明顯低于美國環境保護組織規定的飲用水汞含量標準（2 ppb）。此外，細胞成像實驗結果表明，DTBET探針可用于檢測活的HeLa細胞中Hg2+。
該研究提出了一種新型的DTBET機制，為設計基于AIE的高性能比例計量型熒光探針提供了新的思路，同時也有利于推動AIEgens在人工光合作用、太陽能電池等領域的潛在應用。
這一成果近期發表在《Chemical Science》上，文章的第一作者是香港科技大學博士后陳韻聰和張衛杰。
論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/SC/C6SC04206F#!divAbstract
科研思路分析
Q：這項研究的最初目的是什么？
A：如上所述，我們的研究興趣是研究開發新的AIE分子，AIE機理和AIE材料新的應用。利用AIE分子的特殊性質，結合能量轉移機制，發展高效的比例計量熒光探針，用于不同物質化學定量檢測和生物成像。
Q：在研究過程中遇到的最大挑戰在哪里？
A：本項研究中最大的挑戰是如何提高能量轉移效率，使受激發后AIE分子的能量在發生快速的非輻射躍遷回到基態之前將能量有效地轉移至受體分子。能量轉移機制的選擇，分子結構的設計等都會影響到能量轉移的效率。我們通過合理的設計分子的連接方式結合理論計算，發現了該體系中結構與性能之間的關系。
Q：本項研究成果最有可能的重要應用有哪些？哪些領域的企業或研究機構最有可能從本項成果中獲得幫助？
A：該研究提出了一種新型的DTBET機制，不僅可用于Hg2+的高靈敏度高選擇性的定量檢測，還對基于該機制設計其他物質的熒光探針有指導意義。在化學檢測，生物成像方面都有廣泛的應用前景。同時，由于該機制能實現高效率的能量轉移，克服傳統的ACQ現象，在人工光合作用、太陽能電池等領域也有潛在應用價值。
聚集誘導發光（AIE）是唐本忠團隊在2001年首次提出的概念。由于AIE分子(AIEgens)獨特的聚集態高效發光特性,受到了國內外同行的廣泛關注,現已有數十個國家的上百個課題組開展有關AIE的研究,在發展新AIE分子,AIE機理,AIE材料在光電器件、生物探針與成像、化學傳感、智能材料應用等領域均取得了顯著的成果。AIE已經成為發光材料和光物理等領域的一個研究熱點,并被中國科學院文獻情報中心和湯森路透聯合發布的《2015研究前沿》報告列為化學領域的10大研究前沿的第二位。此外, 2016年Nature的News Feature專欄以“The nanolight revolution is coming”(納米光革命正在來臨)為題重點介紹了AIE材料,并評價AIE材料的發現為當前常用的量子點與發光聚合物點存在的問題提供了解決方案,是新一代的納米發光材料。
AIEgens在溶解狀態下量子產率很低，作為能量供體可以有效降低熒光泄漏，從而降低背景熒光，提高信噪比。香港科技大學團隊選取了目前應用最廣泛的AIE骨架，四苯基乙烯（tetraphenylethene, TPE），為體系的能量供體。由于TPE在溶液中非輻射躍遷速率較快（約1011-1012s-1），會與能量轉移過程競爭而降低能量轉移效率。傳統的熒光能量轉移（FRET）機制需要滿足供體發射光譜和受體吸收光譜有較好的重疊，限制了供體與受體選擇的多樣性？珂I能量轉移（TBET）機制對光譜重疊度要求較低，且能量轉移速率可達1015s-1級別。因此，唐本忠團隊采用TBET，以羅丹明衍生物為能量受體，發展了新型的暗態跨鍵能量轉移（DTBET）機制。光物理實驗表明，發展的DTBET體系中，斯托克斯位移可達280 nm，ETE可達99%，且即使在ETE為69%的情況下幾乎觀察不到供體熒光的泄漏。團隊還結合理論計算，研究了DTBET體系結構性能之間的關系，發現能量供體偶極矩方向與連接體（linker）軸線之間的夾角越小，ETE效率越高。
在此基礎上，團隊還利用AIEgens在聚集狀態下高效發光的性質，設計合成了高性能的比例計量型Hg2+探針。探針自身在含水溶劑中溶解度較低，導致聚集而發射較強的藍綠色熒光。與Hg2+發生反應后，生成羅丹明發光團，同時在含水溶劑中溶解度提高，發生DTBET過程，進而發射出強烈的橙紅色熒光。探針對Hg2+表現出專一的選擇性，熒光強度比值增強達6000倍以上，檢測限低至0.3 ppb,明顯低于美國環境保護組織規定的飲用水汞含量標準（2 ppb）。此外，細胞成像實驗結果表明，DTBET探針可用于檢測活的HeLa細胞中Hg2+。
該研究提出了一種新型的DTBET機制，為設計基于AIE的高性能比例計量型熒光探針提供了新的思路，同時也有利于推動AIEgens在人工光合作用、太陽能電池等領域的潛在應用。
這一成果近期發表在《Chemical Science》上，文章的第一作者是香港科技大學博士后陳韻聰和張衛杰。
論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/SC/C6SC04206F#!divAbstract
科研思路分析
Q：這項研究的最初目的是什么？
A：如上所述，我們的研究興趣是研究開發新的AIE分子，AIE機理和AIE材料新的應用。利用AIE分子的特殊性質，結合能量轉移機制，發展高效的比例計量熒光探針，用于不同物質化學定量檢測和生物成像。
Q：在研究過程中遇到的最大挑戰在哪里？
A：本項研究中最大的挑戰是如何提高能量轉移效率，使受激發后AIE分子的能量在發生快速的非輻射躍遷回到基態之前將能量有效地轉移至受體分子。能量轉移機制的選擇，分子結構的設計等都會影響到能量轉移的效率。我們通過合理的設計分子的連接方式結合理論計算，發現了該體系中結構與性能之間的關系。
Q：本項研究成果最有可能的重要應用有哪些？哪些領域的企業或研究機構最有可能從本項成果中獲得幫助？
A：該研究提出了一種新型的DTBET機制，不僅可用于Hg2+的高靈敏度高選擇性的定量檢測，還對基于該機制設計其他物質的熒光探針有指導意義。在化學檢測，生物成像方面都有廣泛的應用前景。同時，由于該機制能實現高效率的能量轉移，克服傳統的ACQ現象，在人工光合作用、太陽能電池等領域也有潛在應用價值。
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（責任編輯：xu）
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