港中大(深圳)唐本忠院士 / 华南理工王志明研究员团队 JACS:聚集效应赋能吩嗪基材料多重性能提升,推动聚集体学理论发展

一、作者信息

第一作者：万清 博士（南昌航空大学） 

共同第一作者：李玉轩 硕士（华南理工大学）、丁可珂 博士（苏州大学第一附属医院） 通讯作者：王志明 研究员（华南理工大学）、唐本忠 院士（香港中文大学（深圳）） 

通讯单位：华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室/聚集诱导发光研究中心、香港中文大学（深圳）聚集体科学与技术研究院 

其他参与单位：南昌航空大学材料科学与工程学院、豫章师范学院生态环境学院、山东师范大学物理与电子科学学院、湖南大学化学化工学院等

 发表期刊：Journal of the American Chemical Society (JACS)

二、摘要

聚集体学理论指出分子聚集过程可在介观尺度决定并改变材料性质，而聚集触发材料多功能同步提升的现象鲜有报道。本研究围绕5,10-二芳基吩嗪（DPZ）骨架设计合成了一系列新型聚集诱导发光体（AIEgens），实现了从蓝光到深红光的全波长荧光发射。研究发现，该类材料从单分子态到聚集态的转变过程中，荧光强度、自由基稳定性/增益效率、I型活性氧（ROS）生成效率 被同步激活并显著提升。通过系统的性能表征与理论分析，阐明了聚集效应实现材料多重性能提升的核心机制；细胞实验验证，该类AIEgens聚集体可高效产生活性氧，对癌细胞展现出显著的光动力治疗毒性。本工作首次系统证实了聚集效应对材料多功能提升的积极作用，为聚集体学理论的发展提供了关键实验支撑，也为多功能AIE材料的理性设计开辟了全新路径。

三、引言

材料功能性质的研究长期受还原论主导，认为分子构-效关系决定材料整体性质，聚集体性质是分子性质的简单集成；而整体论则提出聚集体性质可超越分子性质之和，分子聚集过程能赋予材料全新的功能特性。聚集诱导发光（AIE）是整体论的典型体现，单分子态无荧光的AIE材料在聚集态会展现出强烈的发光特性，经过20余年发展，AIE材料已在光电器件、生物医学、传感等领域展现出重要应用价值。基于此，唐本忠院士从科学哲学角度提出聚集体学理论，明确材料的聚集过程可在介观尺度调控聚集体的物理化学性质，为多功能材料设计提供了全新范式。

二氢二苯并吩嗪（DHP）衍生物具有振动诱导发光改变（VIE）效应，可通过单分子构象变化实现多色发光，而将其骨架骈合苯环去除得到的二氢吩嗪（DPZ）衍生物，其光物理性质及聚集效应对性能的调控规律尚未被探究。针对这一空白，唐本忠院士/王志明研究员团队以DPZ为核心骨架，通过芳基结构取代设计合成系列衍生物，系统探究了聚集过程对材料发光、自由基、活性氧等多重性能的调控机制，旨在验证聚集体学理论在多功能材料设计中的指导作用，填补聚集诱导多性能提升的研究空白。

四、导读

（一）分子设计与全波长荧光发射实现

团队以5,10-二氢吩嗪（DPZ）为基础骨架，通过在其“双臂”引入不同电子给/受体基团调控材料激发态性质，成功合成一系列芳基取代的DPZ衍生物。该类分子摒弃了DHP衍生物的VIE效应，实现了从蓝光到深红光的全波长荧光发射，为后续多重性能的研究奠定了分子基础，也证明了骨架修饰对材料光物理性质的有效调控作用。

（二）聚集诱导的AIE特性及核心机制

1. 性能表征：荧光光谱与实物荧光照片证实，DPZ衍生物在良溶剂中单分子态荧光微弱，形成薄膜/聚集体后荧光强度显著增强，展现出典型的聚集诱导发光（AIE）/聚集增强发光（AEE） 特性；
2. 机制解析：结合晶体结构分析、分子堆积图及理论计算结果，明确聚集效应导致的分子多重运动受限是AIE特性的核心原因，分子堆积形式的改变进一步调控发光行为；同时发现，分子对称性的改变是该系列衍生物具备AIE性能的关键结构因素，而这一特性与母体DHP的VIE效应形成鲜明对比。

（三）聚集增强的自由基稳定与增益效应

通过EPR电子顺磁共振与NMR核磁共振光谱的对比分析，揭示了DPZ衍生物在单分子态与聚集态下的自由基性质差异：

1. 单分子态：仅通过引入强电子给体或增强分子内共轭效应，才能实现自由基信号的微弱稳定；
2. 聚集态：所有DPZ衍生物的自由基信号均被显著放大且能稳定存在；
3. 自由基本质：实验证实该类材料的自由基源于光诱导氧化形成的阳离子氮自由基，为聚集增强自由基效应提供了结构层面的解释。

（四）聚集提升的I型ROS生成及光动力治疗应用

1. 活性氧性能：利用H2DCFDA、ABDA荧光探针测试发现，DPZ衍生物在单分子态下I型活性氧生成效率极低，形成聚集体后，I型ROS生成效率被大幅提升，且活性氧以自由基为主要形式；
   
2. 生物应用验证：将DPZ衍生物聚集体作为光敏剂作用于癌细胞，细胞内活性氧鉴定实验证实其可在光照下高效产生活性氧；活/死细胞染色实验显示，该类聚集体对癌细胞具有明显的光动力治疗毒性，验证了聚集效应提升的ROS性能具备实际生物应用价值。

（五）聚集效应的多重性能提升协同性

本研究首次发现，DPZ衍生物的聚集过程并非单一性能的提升，而是荧光、自由基、I型ROS三大核心性能的同步激活与增强，实现了“聚集一次，多能提升”的效果，从实验层面验证了聚集体学理论中“聚集过程调控材料介观性质”的核心观点。

五、小结

本研究以5,10-二芳基吩嗪（DPZ）为骨架，通过芳基取代设计合成了一系列新型AIEgens，实现了全波长荧光发射，并首次发现聚集效应可同步激活并提升材料的荧光强度、自由基效率、I型活性氧生成效率，实现了材料多重性能的协同提升。通过晶体结构、光谱表征与理论计算，阐明了分子运动受限、堆积形式改变、分子对称性调控是聚集诱导性能提升的核心机制，同时明确了该类材料的自由基为光诱导氧化形成的阳离子氮自由基。细胞实验进一步验证，DPZ衍生物聚集体可作为高效光敏剂实现癌细胞的光动力治疗，展现出良好的生物应用潜力。

该工作系统证实了聚集效应对材料多功能提升的积极作用，为聚集体学理论的发展提供了关键的实验支撑，打破了“分子性质决定聚集体性能”的传统认知，也为基于聚集效应的多功能AIE材料设计提供了全新的思路与范式，推动聚集体学在有机光电、生物医学等领域的进一步应用。

六、作者简介

1. 唐本忠 院士（通讯作者）香港中文大学（深圳）教授，聚集体科学与技术研究院院长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，聚集诱导发光（AIE）现象的发现者，聚集体学理论的提出者。长期从事有机光电材料、AIE材料、聚集体化学等领域的研究，在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等顶级期刊发表论文数千篇，H指数超高，成果获多项国内外大奖。其开创的AIE领域已发展为跨学科的研究热点，推动了有机光电器件、生物医学传感、光动力治疗等领域的技术革新。

2. 王志明 研究员（通讯作者）华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室研究员，聚集诱导发光研究中心核心成员。主要研究方向为聚集诱导发光材料的分子设计、光物理性质调控及光电/生物应用，聚焦于有机荧光材料、光敏剂、有机电致发光材料的开发。以通讯作者在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Small、ACS AMI等期刊发表多篇高水平论文，主持国家自然科学基金、广东省杰出青年基金等多项课题，在AIE材料的结构设计与性能调控方面取得系列创新性成果。

3. 万清 博士（第一作者）南昌航空大学材料科学与工程学院教师，主要研究方向为聚集诱导发光材料的合成、光物理性质及生物医学应用，参与聚集体学相关理论的实验验证研究。以第一作者在JACS等顶级期刊发表论文，在吩嗪基AIE材料的设计与性能调控方面积累了丰富经验。

4. 李玉轩 硕士/丁可珂 博士（共同第一作者）李玉轩，华南理工大学硕士研究生，主要从事AIE材料的分子设计与光物理性质表征；丁可珂，苏州大学第一附属医院博士，聚焦于AIE材料在生物医学与光动力治疗中的应用研究，二者为该研究的实验表征与应用验证提供了重要支撑。

论文DOI

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c09210