AIE发光素:一系列具有多方面功能的新型材料

作者:Engui Zhaoa,b 和 Ben Zhong Tang*,a,b,c,

a 香港科技大学深圳研究院,中国深圳市南山区高新区南区粤兴一路9号,邮编:518057

b 香港科技大学分子功能材料研究所和分子神经科学国家重点实验室生命科学分部高等研究所化学系生物医学分部,中国香港九龙清水湾

c 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室SCUT-HKUST联合研究实验室广东省创新研究团队,中国广州,邮编:510640

引言
HPS
前景
总结
材料
参考文献


 引言

新材料的开发是人类历史社会进步的标志。在所有材料中,荧光材料由于其科学重要性和实际意义而备受关注。

与它们在稀溶液中非常明亮的发光形成鲜明对比的是,常规有机发光体当分散在水性介质中或在活细胞中聚集时通常显示弱发光或甚至不发光。发色分子的紧密接近通常诱导非辐射能量转移,导致发射自淬灭。这种聚集引起的淬灭(ACQ)效应极大地限制了它们在某些实际应用中的运用,因为这些应用需要制造固体膜或在水性介质中分散。因此,需要开发能够克服该ACQ问题的发光体。

我们在一种螺旋桨形分子中发现了一种相反的现象:当分子溶解在良溶剂中时,它们只显示微弱的发射,它们在聚集时却变成强发射体1。我们将这种现象称为聚集诱导发射(AIE),因为非发光分子在形成聚集体时发出强光。通过系统性的研究,我们确定了分子内运动(RIM)受限是AIE现象的主要原因(图12,3。在稀溶液中,AIE发光素(AIE发光素)如四苯乙烯(TPE,产品 编号:T26204)和10,10',11,11'-四氢-双-5H-二苯并 [a,d] 环庚烯(THBA)经历动态分子内运动,例如旋转和振动,通过非辐射途径消耗激发态的能量。这种运动在聚集体形成或与大分子结合时受到限制,所述大分子阻断非辐射途径并因此将AIE发光素的荧光“打开”。

用RIR(TPE)和RIV(THBA)打开AIE发光素荧光的过程示意图。

图1. 用RIR(TPE)和RIV(THBA)打开AIE发光素荧光的过程示意图。

AIE现象具有科学价值和实际意义4–8。迄今为止,AIE材料已应用于OLED、光波导、化学传感器和生物探针等许多领域。在此我们总结了AIE发光素的一些代表性应用,它们的结构列于图表1中。

AIE发光素的分子结构。

 

 

图表1. AIE发光素的分子结构。


 HPS

六苯基噻咯(HPS,产品 编号:797294)是一种典型的AIE发光素。当其溶解时所发生的荧光变化,启发我们将其用作蒸气检测物质9。为了证明利用HPS检测有机溶剂蒸气的可行性,我们将HPS溶液滴在TLC板上。溶剂蒸发后,可以在TLC板上分辨出一个亮点(图2A2D)。用氯仿或丙酮熏蒸可以淬灭HPS的发光(图2B2E)。吸收的溶剂蒸气可以在TLC板的表面上形成薄的液体层,其溶解所吸收的HPS分子,并因此关闭它们的光发射。当溶剂蒸气被蒸发后,分子聚集,并再次发射(图2C2F)。由于溶解和脱溶过程是非破坏性的,因此,该切换过程是完全可逆的,并且可以重复多次。

当不存(图A和D)和存在(图B和E)有机蒸气的情况下,培养皿中TLC板上的HPS斑点的照片。图C和F的照片是在溶剂蒸发后得到的。所有照片均在紫外线照射下拍摄。

 

图2. 当不存(图AD)和存在(图BE)有机蒸气的情况下,培养皿中TLC板上的HPS斑点的照片。图CF的照片是在溶剂蒸发后得到的。所有照片均在紫外线照射下拍摄。

在我们研究HPS(产品 编号:797294)的AIE特性时,我们注意到它在无定形和晶态下显示出不同的发光行为。与无定形粉末相比,HPS晶体的发射蓝移35 nm。利用HPS薄膜在无定形和晶态之间过渡时所发出的强烈荧光和形态变化,可以使用HPS薄膜来实现润湿性和固态发光的双响应切换10。首先通过旋涂方法制备无特征的HPS薄膜(图3A3C)。用乙醇熏蒸,使HPS重新定向,得到充满纳米片和纳米棒的薄膜(图3B3D)。此形态变化是可逆的:用甲苯熏蒸可使晶态膜变回无定形膜。

(图A和B)以及(图C和D)分别为通过旋涂法所产生的HPS膜的SEM图像的顶视图和侧视图,(图A和C)是未经过乙醇熏蒸的图像,(图B和D)是经过乙醇熏蒸的图像。薄膜A的厚度约为4.5 μm,薄膜B的厚度约为5.0 μm。

 

图3.(图AB)以及(图CD)分别为通过旋涂法所产生的HPS膜的SEM图像的顶视图和侧视图,(图AC)是未经过乙醇熏蒸的图像,(图BD)是经过乙醇熏蒸的图像。薄膜A的厚度约为4.5 μm,薄膜B的厚度约为5.0 μm。


我们通过测定水接触角(CA)评估了HPS膜的表面润湿性。无定形膜显示出97.0 ± 1.5°的CA,表明了它的疏水性。用乙醇熏蒸后,结晶膜的CA变为136.3 ± 1.6°,这意味着膜变得更加疏水。伴随CA增加的是荧光的变化。如图4所示,无定形薄膜在紫外光照射下发绿光,用乙醇熏蒸后变成发蓝光。晶态薄膜在用甲苯熏蒸后变为无定形形态,与此同时,CA从136°降至97°,发光发生红移,从蓝色变为绿色。切换过程可以重复多次而不会疲劳。

用溶剂熏蒸HPS薄膜后所发生的润湿性和固态发光的双重响应切换的示意图。

图4. 用溶剂熏蒸HPS薄膜后所发生的润湿性和固态发光的双重响应切换的示意图。

 

强烈的固态发光使HPS成为制造检测试纸的一种良好的候选物质11,这些试纸用于水质控制、污染跟踪和环境保护。用HPS与聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)的混合物,通过电旋涂技术,可以制成复合膜。甚至HPS / PMMA复合膜在宏观上也是无结构的,SEM图像显示,这种膜由亚微球、纳米孔和纳米纤维组成,其尺寸分别约为0.5-2.0 mm、300-100 nm和20-30 nm。HPS / PMMA复合膜的层次结构类似于荷叶的层次结构。薄膜的水CA为115 ± 2.8°,表明它本质上是疏水的(如图5A中的插图所示)。

(A)HPS / PMMA复合材料电旋涂薄膜的SEM图像。插图:电旋涂薄膜上的水滴照片,接触角为(115±2.6)º。(B)用10 mM Fe3+溶液和水循环,电旋涂膜发光在暗、亮之间重复切换。




图5.(A)HPS / PMMA复合材料电旋涂薄膜的SEM图像。插图:电旋涂薄膜上的水滴照片,接触角为(115±2.6)º。(B)用10 mM Fe3+溶液和水循环,电旋涂膜发光在暗、亮之间重复切换。

 

HPS强烈的固态发光可以用Fe3+有效地淬灭,KSV为6.21×103 M-1。由于HPS的疏水性和荷叶状结构,Fe3+离子可以被水有效地洗掉。发光可以在明亮和黑暗状态之间反复切换多次循环,再现性极好(图5B)。

表面波导是一个重要的主题,它有潜力被用于更快、更紧凑的光电通信和传感器中。良好排序的固态发光HPS晶体有望用于有源光波导,通过局部激发光致发光,沿着2D结构的横坐标传播,并且在脊尖处向外耦合。通过蒸发HPS的乙醇溶液,可以生成HPS微片12。所获得的微片宽约40 μm,长约50 μm,具有矩形横截面,厚度约为1-2 μm。这些都是2D波导的必要条件。

在四个不同位置激发同一个微片获得的微区PL图像:a)中心,b)边缘,c)一角,和d)一端。


图6. 在四个不同位置激发同一个微片获得的微区PL图像:a)中心,b)边缘,c)一角,和d)一端。

近场扫描光学显微镜用于研究微片的光波导特性。如图6所示,在中心激发后(图6A),可以从微片的四个边缘观察到荧光。这表明微片可以吸收光,并将发射光传播到边缘界面。在这种微片中,晶体中的光传播就是光致发光的输出,表明了其有源波导行为。当激光聚焦在微片的一个边缘(图6B)或一个角(图6C)时,在其他三个边缘上者没有观察到波导发光。有趣的是,如果将激光聚焦在微片的一端(图6D),可以在相对一端的边缘以及相邻两侧边缘观察到发光,但对角线位置未观察到发光。这样的结果表明,2D HPS微片可以用作定向波导材料,用于单端和多端波导用途。

OLED在高级显示器中的潜力,使其受到越来越多的关注。HPS的AIE特性使其成为OLED应用的理想选择。与常规发光体相反,聚集促进发光。此外,噻咯是优异的电子传输材料。HPS膜的电子迁移率约为3 × 10-6 cm2/V s,该值甚至高于AlQ3 (2.3 × 10-6 cm2/V s)(产品 编号:416282444561697737),后者是最常用的电子传输材料之一13。以HPS作为发光层的LED器件表现出较高的电流和功率效率(表1)。HPS的亮度高达55 880 cd/m2,外部量子效率高达7%(接近有机单线态发光体可能的极限)。因此,HPS代表了一组具有高发光效率和电子传输能力的材料。

表1. HPS和BTPE的EL性能


材料 Von(V) CE(cd/A) PE(Im/W) L(cd/m2) ηEL(%)
HPS (产品 编号:797294) 4.0 15 10 55880 7.0
BTPE (产品 编号:797308) 4.0 7.3 - 11180 3.2

缩略语:Von = 导通电压,CE = 电流效率,PE = 功率效率,L = 亮度,ηEL = 外部量子产率。

BTPE(4,4'-双(1,2,2-三苯基乙烯基)-1,1'-联苯,产品 编号:797308)

四苯乙烯(TPE)是另一种原型AIE发光素,具有易合成和改性的优点。根据RIM机理,如果一个AIE发光素携带更多可旋转的苯基,则分子内旋转将更有效,并且表现出更明显的AIE效应。基于此,将两个TPE单元熔合在一起即成为BTPE14。由于BTPE具有更多可旋转的苯环,因些BTPE固有地不发光,在溶液状态下发射效率接近零。

通过缓慢蒸发BTPE在不良溶剂(例如乙醇)中的溶液,发现BTPE能够在一个维度上自组装成为结晶微纤维。如图7A7B所示,微纤维的长度为几百微米,直径为几微米。微纤维可以进一步组装成较粗的棒,如图7C所示的光学图像。图7D-F显示了具有不同尺寸的BTPE丝的荧光图像。与其在稀溶液中的不发光性质形成鲜明对比的是,BTPE在结晶状态发出强光,量子效率为100%(用积分球测得)。这些特性使BTPE能够在微型电子和光子器件的制造中找到高科技应用。

 通过缓慢蒸发BTPE的THF / 乙醇溶液所获得的BTPE微纤维图像,(A,B)为SEM图像,(C)为光学图像,(D-F)为荧光图像,(A,B)是在铜网格上,(C-F)是在石英板。


图7.
通过缓慢蒸发BTPE的THF / 乙醇溶液所获得的BTPE微纤维图像,(A,B)为SEM图像,(C)为光学图像,(D-F)为荧光图像,(A,B)是在铜网格上,(C-F)是在石英板。

 

BTPE的强烈的固态发光特性促使我们研究其电致发光性质。我们制造了具有 ITO/NPB(60 nm)/ BTPE(x)/ TPBi(10 nm)/ Alq3(y)/ LiF(1 nm)/ Al(100 nm)配置的多层发光二极管,其中器件 I 的x = 20 nm,y = 30 nm,器件 II 的x = 40 nm,y = 10 nm。所有器件均在低偏压(低至4 V)下开启,并在15 V时亮度高达11180 cd/m2图8A)。在6 V的偏压下,器件 I 的电流效率和外部量子效率分别达到7.26 cd/A 和 3.17%(图8B表1)。虽然器件配置尚未优化,但卓越的EL数据清楚地证明了BTPE作为高效EL器件构造中的固态发光体的巨大潜力。 

具有ITO/NPB/BTPE/TPBi/Alq3/LiF/Al器件配置的BTPE多层发光二极管中的(A)亮度与电压,以及(B)电流效率与电流密度的关系曲线。图B中的插图:电致发光光谱。器件 I 和 II 中的(BTPE和Alq3)层厚分别为(20 nm和30 nm)以及(40 nm和10 nm)。

 

图8. 具有ITO/NPB/BTPE/TPBi/Alq3/LiF/Al器件配置的BTPE多层发光二极管中的(A)亮度与电压,以及(B)电流效率与电流密度的关系曲线。图B中的插图:电致发光光谱。器件 I 和 II 中的(BTPE和Alq3)层厚分别为(20 nm和30 nm)以及(40 nm和10 nm)。

 

TPE-BA([(1,2-二苯基乙烯-1,2-二基)双(4,1-亚苯基)]二硼酸,产品 编号:797367)

RIR可以打开AIE发光素的荧光,利用这一特性,可以开发出一系列感应应用。用硼酸官能化TPE,得到的发光素(TPE-BA)易于与水中的糖形成复合物15。在碳酸炔烃缓冲液(pH = 10)中,TPE-BA分子溶解,因此是不发光的。将D-葡萄糖添加到缓冲溶液中,导致荧光强度的显著增加,而在相同条件下,其他糖(例如D-甘露糖、D-果糖或D-半乳糖)几乎不引起变化。TPE-BA可与D-葡萄糖形成寡硼酸盐。低聚链可在水性介质中折叠和聚集,从而激活RIR过程并因此开启TPE的发光。其他糖也与TPE-BA形成单加合物,但是一旦形成这种络合物,就不再有使低聚反应继续进行的顺式二醇,从而导致非常低的发光强度。通过这种方式,TPE-BA可以作为葡萄糖特异性探针。

TPE-BA(50 μM)对糖类(4 mM)的FL响应。插图:TPE-BA在含有5 mM糖的碳酸盐缓冲液中的溶液照片,照片在紫外光下拍摄。

图9. TPE-BA(50 μM)对糖类(4 mM)的FL响应。插图:TPE-BA在含有5 mM糖的碳酸盐缓冲液中的溶液照片,照片在紫外光下拍摄。

TPE-硫醇(1-{4-[1,2-二苯基-2-(对甲苯基)乙烯基]苯基}-1H-吡咯-2,5-二酮,产品 编号:797316)

通过合理的结构设计,可定制AIE发光素用于检测生物硫醇。受马来酰亚胺与硫醇之间快速、有效的硫醇-烯点击反应的启发,马来酰亚胺与TPE核连接,得到TPE-硫醇16。由于光诱导的TPE至马来酰亚胺的电子转移,TPE-硫醇在溶液和聚集状态下均不发光。与硫醇基团反应可以中断电子转移过程并导致TPE的发光。为了简化检测过程,TLC板用作TPE-硫醇的基质。通过将微量等分的TPE-硫醇在二氯甲烷中的溶液滴加到TLC板上,可以容易地制备TLC条。只需将TLC板浸入分析物溶液中1秒钟,然后蒸发溶剂,即可以导至强烈发光。如图10所示,TPE-硫醇斑块在L-半胱氨酸存在下发明亮的蓝光,L-半胱氨酸带有一个硫醇基团。在有其他氨基酸存在的情况下,斑块不发光。检测方法非常简单、快速,检测极限低达1 ng/mL。TPE-硫醇还可用于在生理介质和聚(丙烯酰胺)凝胶电泳测定中标记携带半胱氨酸残基的蛋白质。

通过TLC板上的TPE-硫醇斑块选择性地检测L-半胱氨酸(C)。不含硫醇单元的其他标准氨基酸的数据,包括L-天冬氨酸(D)、L-亮氨酸(L)、L-苯丙氨酸(F)、L-精氨酸(R)、L-天冬酰胺(N)、L-甲硫氨酸(M)和L-谷氨酸(E),也都显示出来用于比较。在将TLC板浸入含有和不含硫醇的DMSO中的氨基酸溶液后,在a)254和b)365 nm 紫外光的照射下拍摄照片。

 

图10. 通过TLC板上的TPE-硫醇斑块选择性地检测L-半胱氨酸(C)。不含硫醇单元的其他标准氨基酸的数据,包括L-天冬氨酸(D)、L-亮氨酸(L)、L-苯丙氨酸(F)、L-精氨酸(R)、L-天冬酰胺(N)、L-甲硫氨酸(M)和L-谷氨酸(E),也都显示出来用于比较。在将TLC板浸入含有和不含硫醇的DMSO中的氨基酸溶液后,在a)254和b)365 nm 紫外光的照射下拍摄照片。

TPE-磺酸盐(3,3'-{[(1,2-二苯乙烯-1,2-二基)双(4,1-亚苯基)]双(氧)}双(丙烷-1-磺酸钠),产品 编号:797383)

为了增加AIE发光素的水溶性,将磺酸盐基团连接到TPE上,得到TPE-磺酸盐。TPE-磺酸盐的PBS溶液是不发光的。添加少量人血清白蛋白(HSA)会使其发光17,在低HSA浓度下FL增强速度很快,检测极限可以低至1 nM,线性检测范围为0-100 nM。使TPE-磺酸盐适合临床检测HSA的原因在于其在体液中进行蛋白质测定的可行性。如图11A所示,人造尿中的结合等温线实际上与PBS中的结合等温线相同,并且测定灵敏度不受生物电解质杂质和尿素的生理水平的影响。除了其优异的灵敏度外,TPE-磺酸盐还显示出对白蛋白蛋白质(例如HSA和牛血清白蛋白 (BSA)图11B)的优异选择性。DNA和多种人蛋白质(例如胃蛋白酶人免疫球蛋白G (IgG)胰蛋白酶)的存在,不能打开TPE-磺酸盐的发光。TPE-磺酸盐对白蛋白蛋白质的选择性在人造尿中保持不受干扰。

人造尿和PBS缓冲液中HSA与TPE-磺酸盐的结合等温线。(B)TPE-磺酸盐在470 nm的FL强度对人造尿和PBS缓冲液中的不同蛋白质的依赖性。[TPE-磺酸盐] = 5 μM;[蛋白质] = 100 μg/mL;λex= 350 nm。

图11.A)人造尿和PBS缓冲液中HSA与TPE-磺酸盐的结合等温线。(B)TPE-磺酸盐在470 nm的FL强度对人造尿和PBS缓冲液中的不同蛋白质的依赖性。[TPE-磺酸盐] = 5 μM;[蛋白质] = 100 μg/mL;λex= 350 nm。

 

HSA的疏水区域能够与不溶的内源和外源化合物(例如脂肪酸和药物)结合。TPE-磺酸盐的苯环的疏水性,促使发光分子进入并聚集在HSA链的折叠结构的疏水腔或袋内17。利用TPE-磺酸盐的AIE性质,以及从350 nm处HSA的固有荧光至470 nm处TPE-磺酸盐的AIE发光的Förster共振能量转移(FRET),追踪了由盐酸胍(GdnHCl)变性剂诱导的HSA链的解折叠轨迹。如图12所示,结果显示出三步转变:随着GdnHCl 浓度从0增加到1.5 M,由于通过结构域分离诱导的TPE-磺酸盐的释放,FRET比率大大降低。将GdnHCl浓度提高至~2.0 M,可将HSA转化为熔融球蛋白状态,这可能带来额外的疏水区域,并导致约70%发光的回收。GdnHCl浓度的进一步增加,导致HSA完全变性和TPE-磺酸盐的释放。因此,FRET比率开始单调下降至几乎为零,并且FRET过程不再发生。

 

 检测HSA的构象变化。该图说明了FRET比率(I470 / I350)对GdnHCl浓度的依赖性。[TPE-磺酸盐] = 5 μM; [HSA] = 2 μM; λex = 295 nm

 

 

图12. 检测HSA的构象变化。该图说明了FRET比率(I470 / I350)对GdnHCl浓度的依赖性。[TPE-磺酸盐] = 5 μM; [HSA] = 2 μM; λex = 295 nm

 

除了HSA的定量和构象研究外,我们还开发了荧光探测系统来追踪蛋白质的聚集过程。淀粉样蛋白是蛋白质的不溶性纤维聚集体,其在器官和组织中的过量积累可导致生物功能障碍和病理症状。胰岛素是一种生物聚合物,在酸性条件下容易发生纤维化,因此,在我们的研究中被选为模型蛋白。天然胰岛素和TPE-磺酸盐的水性混合物实际上是不发荧光的(图13)。然而,在存在纤维状胰岛素的情况下,TPE-磺酸盐因其与胰岛素聚集体的相互作用而变得具有发光性18。发射效率的明显对比使得能够明确区​​分天然和变性形式的胰岛素,并且能够跟踪纤维化过程。TPE-磺酸盐染色的淀粉样纤维可以在荧光显微镜下很容易地观察到,这要归功于结合的聚集体发出的强光。TPE-磺酸盐与胰岛素的原位孵育,可以抑制成核,并减缓延伸过程,这为开发用于监测和治疗与蛋白质构象紊乱相关的疾病的新型诊断试剂和治疗药物提供了新的策略。

 在正常实验室照明和365 nm紫外光照射下拍摄的BSPOTPE与天然和纤维状胰岛素的混合物的照片。[TPE-磺酸盐] = 5 μM, [胰岛素] = 5 μM,

 

图13. 在正常实验室照明和365 nm紫外光照射下拍摄的BSPOTPE与天然和纤维状胰岛素的混合物的照片。[TPE-磺酸盐] = 5 μM, [胰岛素] = 5 μM,

 

噻咯-N3(2,5-双(4-(叠氮甲基)苯基)-1,1-二甲基-3,4-二苯基-1H-噻咯。产品 编号:797286)

噻咯代表了一种高效的发光体。通过噻咯的功能化,可以开发各种应用。利用叠氮化物-炔烃点击反应,可以很容易地定制噻咯以构建不同的材料。以下应用举例说明了噻咯-N3支架如何用于构建功能材料。

通过叠氮化物-炔烃点击反应将手性糖垂饰(图14A上图)附着到噻咯核上,可容易地产生圆偏振发光(CPL)活性材料19。受益于噻咯核的AIE特性以及糖诱导的超分子组装,所得产物在固态下有效发光,固态量子产率为81%,显示出较大的发光不对称因子~0.32,其值比以前的系统(10-5-10-2)高几个数量级。采用相同的策略,缬胺酸图14A中下图所示的结构)连接到噻咯核20。噻咯和缬胺酸的加合物可以进行明确的组装,从而形成螺旋结构,并进一步聚集成具有圆二色性(CD)、CPL和AIE属性的复杂结构。这种材料可以在各种领域中找到重要的潜在应用,包括电子和光学领域。

(A)用于诱导噻咯-N3的CPL的手性单元的结构。(B,C)在石英基板上的微流体通道中蒸发噻咯-N3的DCM / 甲苯溶液的荧光照片。

 

图14.A)用于诱导噻咯-N3的CPL的手性单元的结构。(B,C)在石英基板上的微流体通道中蒸发噻咯-N3的DCM / 甲苯溶液的荧光照片。

 

(A)与噻咯-N3结合的识别单元的结构。(B)用与噻咯-N3缀合的E-cRGD检测整合素αvβ3的示意图。

 

 图15.A)与噻咯-N3结合的识别单元的结构。(B)用与噻咯-N3缀合的E-cRGD检测整合素αvβ3的示意图。

 

生物标记物的研究受到越来越多的关注,因为它对肿瘤生长和转移的研究以及有效的抗肿瘤药物的开发具有重要意义。由于明确的工作机理和分子设计的简易性,AIE材料有望用于这类应用。如图15A所示,两个E-cRGD附着于噻咯-N321。E-cRGD可以识别整合素αvβ3,这是一种在调节肿瘤生长和转移中起关键作用的蛋白质靶标。E-cRGD基团使得到的发光素(TPE-2RGD)对整合素αvβ3具有高特异性以及水中溶解度。如图15B所示,TPE-2RGD的发射仅在整合素αvβ3存在下打开,而不是在其他蛋白质(如BSA和胰蛋白酶)存在时打开。TPE-2RGD对整合素αvβ3的优异的选择性使其可用于体外整合素检测。如图16A所示,具有低水平整合系αvβ3表达的MCF-7细胞发出非常弱的荧光。形成鲜明对比的是,在相同的实验条件下,从具有过表达的整合素αvβ3的HT-29结肠癌细胞(产品 编号:85061109)中检测到明显的荧光信号(图16D)。用游离cRGD肽预处理HT29(图16G)降低了HT29的发光,由此确定荧光源自TPS-2cRGD与整合素αvβ3的特异性结合。此外,探针和膜示踪剂的荧光图像之间的优异重叠(图16B16E16H)证实特异性结合发生在细胞膜上(图15F)。

 在不存在和存在膜示踪剂(62.5 ng mL-1)的情况下,在4℃下与2 μM TPS-2cRGD一起孵育30分钟后,活细胞的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像。(A-C)为MCF-7的荧光图像,(D-F)为HT-29细胞的荧光图像,(A,D)为经过TPS-2cRGD染色,(B,E)为经过膜示踪剂染色。它们的重叠图像在(C,F)中给出。用10 μM cRGD预处理、然后用(G)TPS-2cRGD和(H)膜示踪剂染色后HT-29细胞的荧光图像。(I)是(G)和(H)的重叠图像。使用具有(A,D,G)505-525 nm的带通和(B,E,H)575-635 nm带通的滤镜,使用5%激光功率分别在(A,D,G)405 nm和(B,E,H)543 nm处激发下拍摄图像。所有图像都使用相同的比例尺(10 μm)。

图16. 在不存在和存在膜示踪剂(62.5 ng mL-1)的情况下,在4℃下与2 μM TPS-2cRGD一起孵育30分钟后,活细胞的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像。(A-C)为MCF-7的荧光图像,(D-F)为HT-29细胞的荧光图像,(A,D)为经过TPS-2cRGD染色,(B,E)为经过膜示踪剂染色。它们的重叠图像在(C,F)中给出。用10 μM cRGD预处理、然后用(G)TPS-2cRGD和(H)膜示踪剂染色后HT-29细胞的荧光图像。(I)是(G)和(H)的重叠图像。使用具有(A,D,G)505-525 nm的带通和(B,E,H)575-635 nm带通的滤镜,使用5%激光功率分别在(A,D,G)405 nm和(B,E,H)543 nm处激发下拍摄图像。所有图像都使用相同的比例尺(10 μm)。

细胞凋亡是多细胞生物中的程序性细胞死亡,实时跟踪细胞凋亡,对于揭示详细的生物过程,对疗效早期做出诊断,以及设计有效药物,都至关重要。半胱天冬酶-3是细胞凋亡的关键介质,并且一直是监测细胞凋亡的有吸引力的靶标。利用AIE发光素的发光特性,通过将噻咯-N3与E-cRGD基团结合,制备半胱天冬酶探针(Ac-DEVD-TPS-cRGD)22。该探针对含有过表达整合素αvβ3的细胞具有高度选择性,并且具有Asp-Glu-Val-Asp(DEVD)肽作为半胱天冬酶的底物。在存在半胱天冬酶的情况下,DEVD链被有效切割,并释放疏水性噻咯单元。噻咯分子的聚集激活了RIM过程,从而使其发光。如图17所示,在存在含有过表达的整合素αvβ3的凋亡U87MG细胞的情况下,探针被打开发光。正常的U87MG细胞或用半胱天冬酶抑制剂或封闭的整合素αvβ3处理过的细胞,对Ac-DEVD-TPS-cRGD的发光过程没有影响(图17A17C17G)。具有低水平整合素αvβ3的MCF-7细胞在正常条件下保持不发光(图17H),或者在凋亡条件下保持弱发光(图17I)。这些结果证实了成功地对靶细胞中凋亡细胞成像。利用相同的策略,可以以高灵敏度和高选择性跟踪许多其他生物过程。

用Ac-DEVD-TPS-cRGD处理的(A)健康的和(B)凋亡的U87MG细胞的CLSM图像;(C)用半胱天冬酶抑制剂预处理,然后用Ac-DEVD-TPS-cRGD染色的STS诱导的U87MG细胞的CLSM图像;(G)用10 mM cRGD预处理、然后用Ac-DEVD-TPS-cRGD染色的U87MG细胞以及STS诱导的细胞凋亡的CLSM图像;用Ac-DEVD-TPS-cRGD处理的(H)健康的和(I)凋亡的MCF-7细胞的CLSM图像。(D-F)和(J-L)分别是(A-C)和(G-I)的相应荧光 / 透射重叠图像。[Ac-DEVD-TPS-cRGD] = 5 mM, [STS] = 1 mM, [抑制剂] = 10 mM. 所有图像都使用比例尺30 mm。

 

图17. 用Ac-DEVD-TPS-cRGD处理的(A)健康的和(B)凋亡的U87MG细胞的CLSM图像;(C)用半胱天冬酶抑制剂预处理,然后用Ac-DEVD-TPS-cRGD染色的STS诱导的U87MG细胞的CLSM图像;(G)用10 mM cRGD预处理、然后用Ac-DEVD-TPS-cRGD染色的U87MG细胞以及STS诱导的细胞凋亡的CLSM图像;用Ac-DEVD-TPS-cRGD处理的(H)健康的和(I)凋亡的MCF-7细胞的CLSM图像。(D-F)和(J-L)分别是(A-C)和(G-I)的相应荧光 / 透射重叠图像。[Ac-DEVD-TPS-cRGD] = 5 mM, [STS] = 1 mM, [抑制剂] = 10 mM. 所有图像都使用比例尺30 mm。

 

TPE-MN3(1,2-双 [4-(叠氮甲基)苯基]-1,2-二苯基乙烯,产品 编号:797340)

只需用TPE替换噻咯-N3(产品 编号:797286)的噻咯核,即生成TPE-MN3。与噻咯-N3相关的所有应用均适用于TPE-MN3。由于TPE-MN3中存在EZ异构体,因此研究这两种异构体如何表现是有意义的23。TPE-MN3用DEVD肽官能化,从而得到TPE-2DEVD。这两种异构体可以通过HPLC分离,得到E-TPE-2DEVD和Z-TPE-2DEVD。当EZ异构体被半胱天冬酶-3切割时,它们被激发(图18A)。尽管来自Z异构体的荧光高于E异构体的荧光,但是后者达到平衡的速度比前者快得多,这表明E-TPE-2DEVD被半胱天冬酶-3更有效地切割(图18B)。这通过分子对接模拟进一步证实:E-TPE-2DEVD与半胱天冬酶-3结合更强,这导致比Z-TPE-2DEVD更高的反应性(图18C18D)。 

(A)在DMSO-PIPES缓冲液 (v/v = 1/199) 中存在和不存在抑制剂(inh)Z-DEVD-FMK的情况下,在与半胱天冬酶-3孵育之前和之后的E-和Z-TPE-2DEVD的PL光谱。(B)加入半胱天冬酶-3后从0至60分钟E-和Z-TPE-2DEVD的时间依赖性PL光谱。(C)E-TPE-2DEVD和DEVD-CHO与半胱天冬酶-3的活性位点袋结合的重叠结构。(D)与半胱天冬酶-3结合的E-TPE-2DEVD的叠加。

 

图18.A)在DMSO-PIPES缓冲液 (v/v = 1/199) 中存在和不存在抑制剂(inh)Z-DEVD-FMK的情况下,在与半胱天冬酶-3孵育之前和之后的E-和Z-TPE-2DEVD的PL光谱。(B)加入半胱天冬酶-3后从0至60分钟E-和Z-TPE-2DEVD的时间依赖性PL光谱。(CE-TPE-2DEVD和DEVD-CHO与半胱天冬酶-3的活性位点袋结合的重叠结构。(D)与半胱天冬酶-3结合的E-TPE-2DEVD的叠加。


 前景

对AIE发光素潜在应用的探索仍处于起步阶段。原则上,AIE效应可用于涉及RIM过程的任何应用中,只是可能性受到了我们想象力的限制。虽然特定应用需要具有不同分子结构的AIE发光素,但它们可能共享一些共同的中间体。图表1还列出了TPE具有不同官能团的一些中间体,例如两个羟基(TPE-DOH,4,4'-(1,2-二苯乙烯-1,2-二基)二酚,产品 编号:797219),四个羟基(TPE-TOH,4,4',4'',4'''-(乙烯-1,1,2,2-四基)四苯酚,产品 编号:797375),两个甲氧基(TPE-OMe,1,2-双(4-甲氧基苯基)-1,2-二苯乙烯,产品 编号:797324),两个碳酸酯(TPE-CA,4,4'-(1,2-二苯乙烯-1,2-二基)-二苯甲酸,产品 编号:797359),以及两个苄基溴(TPE-MB,1,2-双 [4-(溴甲基)苯基]-1,2-二苯基乙烯,产品 编号:797332)。通过酯化和Williamson醚合成等简单反应,将不同的功能单元连接到中间体上,生成各种具有金属-有机-框架和液晶结构的有用材料,这些材料所具有的特性使其能用于荧光成像和生物探测、手性识别与分离、化学传感、OLED等。

由中间体构建的AIE发光素的可能应用。

 

图19. 由中间体构建的AIE发光素的可能应用。 

 


 总结

本文总结了AIE发光素的一些代表性应用。传统荧光团在聚集状态下荧光被淬灭。与之相比,AIE发光素则在聚集或结晶时发光,这是它们的优势。在这些材料中已经实现了很高的固态量子产率,使得它们有潜力用于薄膜或晶态的实际应用。使用AIE发光素作为发光层的OLED表现出高达理论极限的极高外部量子效率(7%)以及明亮发光(55 880 cd/m2)。利用其有效的固态发光能力,可以开发许多新颖的应用,例如有源光波导和双响应智能材料。荧光开启特性使这些AIE发光素成为感应材料的最佳候选者:最初的非荧光探针在添加了靶分析物后即变得高度发光。低背景光和分析物诱导的强光都大大提高了检测灵敏度。对新工作机制的完全理解会产生感应方法的应用,例如选择性地检测D-葡萄糖、构象跟踪HSA、探测胰岛素原纤化等。由于AIE发光素在被酶修饰或切割以后溶解度会发生变化,因此,AIE材料可用于高灵敏度和高选择性的酶检测。此外,可用的中间体将使不同背景的研究人员能够通过简单的反应来利用AIE发光素。应用AIE发光素解决我们在日常生活和科学研究中遇到的问题尚处于初期阶段。来自不同领域的专家们将会探索越来越多的AIE材料的应用,这些材料的应用将超乎我们的想象。


 材料

     


 参考文献

  1. Luo, J.; Xie, Z.; Lam, J. W. Y.; Cheng, L.; Tang, B. Z.; Chen, H.; Qiu, C.; Kwok, H. S.; Zhan, X.; Liu, Y.; Zhu, D. Chem. Commun. 2001, 381, 1740–1741.
  2. Hong, Y.; Lam, J. W. Y.; Tang, B. Z. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 5361–5388.
  3. Mei, J.; Hong, Y.; Lam, J. W. Y.; Qin, A.; Tang, Y.; Tang, B. Z. Adv. Mater. 2014, DOI:10.1002/adma.201401356.
  4. Shustova, N. B.; Cozzolino, A. F.; Reineke, S.; Baldo, M.; Dincă, M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13326–13329.
  5. Yuan, W. Z.; Yu, Z.-Q.; Lu, P.; Deng, C.; Lam, J. W. Y.; Wang, Z.; Chen, E.-Q.; Ma, Y.; Tang, B. Z. J. Mater. Chem. 2012, 22, 3323–3326.
  6. Hong, Y.; Chen, S.; Leung, C. W. T.; Lam, J. W. Y.; Liu, J.; Tseng, N.-W.; Kwok, R. T. K.; Yu, Y.; Wang, Z.; Tang, B. Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 3411–3418.
  7. Zhao, N.; Li, M.; Yan, Y.; Lam, J. W. Y.; Zhang, Y. L.; Zhao, Y. S.; Wong, K. S.; Tang, B. Z. J. Mater. Chem. C 2013, 1, 4640.
  8. Zhao, Z.; Lam, J. W. Y.; Zhong, B. Curr. Org. Chem. 2010, 14, 2109–2132.
  9. Dong, Y.; Lam, J. W. Y.; Li, Z.; Qin, A.; Tong, H.; Dong, Y.; Feng, X.; Tang, B. Z. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 2005, 15, 287–291.
  10. Heng, L.; Dong, Y.; Zhai, J.; Tang, B.; Jiang, L. Langmuir 2008, 24, 2157–2161.
  11. Heng, L.; Wang, X.; Dong, Y.; Zhai, J.; Tang, B. Z.; Wei, T.; Jiang, L. Chem. Asian J. 2008, 3, 1041–1045.
  12. Heng, L.; Wang, X.; Tian, D.; Zhai, J.; Tang, B.; Jiang, L. Adv. Mater. 2010, 22, 4716–4720.
  13. Chen, J.; Law, C. C. W.; Lam, J. W. Y.; Dong, Y.; Lo, S. M. F.; Williams, I. D.; Zhu, D.; Tang, B. Z.; Ph, X. Y. Chem. Mater. 2003, 79, 1535–1546.
  14. Zhao, Z.; Chen, S.; Shen, X.; Mahtab, F.; Yu, Y.; Lu, P.; Lam, J. W. Y.; Kwok, H. S.; Tang, B. Z. Chem. Commun. 2010, 46, 686–688.
  15. Liu, Y.; Deng, C.; Tang, L.; Qin, A.; Hu, R.; Sun, J. Z.; Tang, B. Z. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 660–663.
  16. Liu, Y.; Yu, Y.; Lam, J. W. Y.; Hong, Y.; Faisal, M.; Yuan, W. Z.; Tang, B. Z. Chem. Eur. J. 8433–8438.
  17. Hong, Y.; Feng, C.; Yu, Y.; Liu, J.; Lam, J. W. Y.; Luo, K. Q.; Tang, B. Z. Anal. Chem. 2010, 82, 7035–7043.
  18. Hong, Y.; Meng, L.; Chen, S.; Leung, C. W. T.; Da, L.-T.; Faisal, M.; Silva, D.-A.; Liu, J.; Lam, J. W. Y.; Huang, X.; Tang, B. Z. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1680–1689.
  19. Liu, J.; Su, H.; Meng, L.; Zhao, Y.; Deng, C.; Ng, J. C. Y.; Lu, P.; Faisal, M.; Lam, J. W. Y.; Huang, X.; Wu, H.; Wong, K. S.; Tang, B. Z. Chem. Sci. 2012, 3, 2737–2747.
  20. Ng, J. C. Y.; Li, H.; Yuan, Q.; Liu, J.; Liu, C.; Fan, X.; Li, B. S.; Tang, B. Z. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 4615–4621.
  21. Shi, H.; Liu, J.; Geng, J.; Tang, B. Z.; Liu, B. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9569–9572.
  22. Ding, D.; Liang, J.; Shi, H.; Kwok, R. T. K.; Gao, M.; Feng, G.; Yuan, Y.; Tang, B. Z.; Liu, B. J. Mater. Chem. B 2014, 2, 231–238.
  23. Liang, J.; Shi, H.; Kwok, R. T. K.; Gao, M.; Yuan, Y.; Zhang, W.; Tang, B. Z.; Liu, B. J. Mater. Chem. B 2014, 2, 4363–4370.