聚集誘導(dǎo)發(fā)光聚合物的機(jī)遇與挑戰(zhàn)：聚合物之美與聚集體之光相輝映

秦安軍 胡 蓉

(華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室, 廣東省分子聚集發(fā)光重點實驗室, 廣東廣州 510640)

1 引 言

在發(fā)光領(lǐng)域中,有機(jī)材料由于具有質(zhì)輕、易修飾、柔性等優(yōu)點正日益受到人們的關(guān)注。 目前有機(jī)發(fā)光材料已經(jīng)在光電、傳感及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 然而,雖然傳統(tǒng)的有機(jī)發(fā)光材料在溶液中或者在單分子狀態(tài)下發(fā)光很強(qiáng),但是在聚集或制備成薄膜后,發(fā)光效率則大大降低,即發(fā)生了聚集導(dǎo)致發(fā)光猝滅(Aggregation-caused quenching,ACQ)現(xiàn)象。 該效應(yīng)極大地阻礙了該類發(fā)光材料的發(fā)展和應(yīng)用。 在眾多的解決方案中,唐本忠院士于2001 年提出的聚集誘導(dǎo)發(fā)光(Aggregation-induced emission,AIE)充分地利用了分子的自然聚集,為該類發(fā)光材料在應(yīng)用中發(fā)揮最佳功效提供了新思路。 因此,自AIE 的概念提出后,該領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展[1]。 但從材料角度而言,絕大多數(shù)還是基于AIE 小分子,而AIE聚合物還有待進(jìn)一步發(fā)展。

相對于AIE 小分子,AIE 聚合物具有良好的成膜性、可加工性、機(jī)械強(qiáng)度和功能復(fù)合性等,從而能夠滿足多樣化的應(yīng)用需求。 另外,從結(jié)構(gòu)角度而言,AIE 聚合物通常是由AIE 基元通過共價連接而形成,然而其性能并非在小分子基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的疊加或者堆砌,而是表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能,如協(xié)同放大效應(yīng)等,使其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用中有著獨特的優(yōu)勢[2]。 相對于傳統(tǒng)發(fā)光高分子材料,AIE 聚合物的聚集態(tài)具有更高的發(fā)光效率、良好的光穩(wěn)定性和大的Stokes 位移,更有利于多樣化的應(yīng)用。

基于此,自2003 年唐本忠院士等第一次報道高發(fā)光效率的AIE 聚合物后[3],這一領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。 但仍有許多科學(xué)問題亟待解決,同時也意味著這一領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿o窮。

2 小分子到聚合物,性能的飛躍

AIE 聚合物的構(gòu)建通常是將AIE 基元引入到聚合物的骨架或者側(cè)鏈,從而賦予了其優(yōu)于小分子和傳統(tǒng)發(fā)光高分子的光學(xué)性能。 基于共價連接的方式,從小分子到聚合物,依賴于聚合物的協(xié)同放大效應(yīng),AIE 聚合物光物理性能往往會出現(xiàn)“質(zhì)的飛躍”,從而在光電、傳感及生命健康等領(lǐng)域展現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢。 例如,相對于AIE 小分子,AIE聚合物具有良好的成膜性,加之其優(yōu)異的薄膜態(tài)發(fā)光效率,使這類聚合物可通過熒光的手段直接觀察到有序多孔膜(Breath figure)形成的4 個過程[4],這是首次將AIE 材料應(yīng)用于可視化領(lǐng)域[5]。 此外,AIE 聚合物的發(fā)光效率理論上相對于小分子會進(jìn)一步提高,這是因為聚合物分子內(nèi)以及分子間的相互作用會進(jìn)一步限制AIE 基元的分子內(nèi)運(yùn)動,從而降低非輻射躍遷。 在實驗中,我們也成功制備了系列發(fā)光效率比其單體更優(yōu)異的AIE 聚合物[6-7]。

除了上述將AIE 基元引入聚合物中制備AIE聚合物外,研究中也發(fā)現(xiàn)一類不含傳統(tǒng)芳香發(fā)光基元、但也表現(xiàn)出明顯的AIE 性能的聚合物,即非傳統(tǒng)發(fā)光聚合物。 這類聚合物通常含有氨基、酰胺基、脲基、酯基、酸酐基、羰基、醚、磺酸基、氰基等基團(tuán),其單體和小分子無論是溶液態(tài)、聚集態(tài)或固態(tài)均幾乎檢測不到熒光信號或發(fā)光微弱,但聚合物在聚集態(tài)及固態(tài)下卻擁有良好的發(fā)光效率,且發(fā)射波長隨著激發(fā)波長的改變而發(fā)生變化。結(jié)合大量實驗及理論計算,唐本忠院士等首次提出了“簇發(fā)光”的機(jī)制[8]。

為了進(jìn)一步探尋非芳AIE 聚合物發(fā)光的機(jī)理,我們制備了馬來酸酐均聚物及其與三甲基-1-戊烯的共聚物。 通過比較這兩種聚合物的發(fā)光行為,發(fā)現(xiàn)前者在稀溶液中不發(fā)光而濃度增大后或固態(tài)下發(fā)光較強(qiáng),而后者無論溶液態(tài)還是固態(tài)均檢測不到熒光信號。 進(jìn)一步地,通過對聚合物部分鏈段的理論模擬,得出可能的作用模式是羰基或者酸酐上的氧與羰基的碳或者π 鍵作用,因而形成了“簇”。 而共聚物中大位阻基團(tuán)的引入加大了羰基或酸酐間的距離,無法使其相互作用形成發(fā)光“簇”。 另外,馬來酸酐均聚物的重復(fù)單元,即琥珀酸酐在各種狀態(tài)均不發(fā)光。 上述結(jié)果進(jìn)一步驗證了不含芳香環(huán)的非芳AIE 聚合物的“簇發(fā)光”機(jī)制[9]。

除了發(fā)光效率外,AIE 聚合物的其他光物理性能也經(jīng)常表現(xiàn)出比小分子AIE 材料明顯的提升。 以敏化產(chǎn)生活性氧(ROS)的光敏性能為例,我們構(gòu)建了給體-受體(D-A)型AIE 共軛聚合物,并在側(cè)鏈引入了光致產(chǎn)生自由基的基團(tuán),結(jié)果即使在相同條件下,其光敏性能也要明顯強(qiáng)于小分子模型化合物和商業(yè)化光敏劑Ce 6。 不僅如此,聚合物產(chǎn)生自由基的能力也較其單體更強(qiáng),這均得益于AIE 聚合物的協(xié)同放大效應(yīng)[7]。 聚合導(dǎo)致光敏性能的增強(qiáng)也在其他報道中得以驗證[10-11]。 類似地,雙光子吸收截面也會隨著聚合物的構(gòu)建而得到增強(qiáng)。 例如,Lu 等報道的AIE 共軛聚合物的雙光子吸收截面(983 GM)要明顯高于其小分子模型化合物的值(22 GM),進(jìn)一步證明了AIE 聚合物優(yōu)于小分子材料的性能[12]。

AIE 聚合物所展示的光物理性能方面的提升,不僅為發(fā)展新型功能化材料提供了一種有效策略,也為推動有機(jī)發(fā)光材料在光電、傳感及生命健康領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了全新的可能性。

3 AIE 聚合物與生命的美麗邂逅

熒光材料的介入,讓“看不見”的生命過程變得可視化。 AIE 聚合物由于其優(yōu)異的光學(xué)性能和良好的生物兼容性,使其在生物成像、生物檢測及診療等領(lǐng)域較小分子和傳統(tǒng)發(fā)光聚合物展現(xiàn)出了更好的應(yīng)用前景。

在生物成像領(lǐng)域,發(fā)光材料的特異性及生物兼容性是兩個非常重要的參數(shù)。 基于這兩個參數(shù),我們設(shè)計并制備了一種含親水側(cè)鏈的基于四苯基乙烯基團(tuán)的AIE 共軛聚合物,通過調(diào)控生理環(huán)境下的尺寸,在哺乳動物細(xì)胞(活細(xì)胞、凋亡細(xì)胞和死細(xì)胞)和微生物(細(xì)菌和真菌)等存在的情況下,實現(xiàn)了其與活細(xì)胞的選擇性結(jié)合。 值得指出的是,該聚合物的單體能夠與所有不同狀態(tài)的細(xì)胞結(jié)合。 雖然商業(yè)化小分子染料鈣黃綠素也能夠很好地與活細(xì)胞結(jié)合,但是在凋亡晚期及死細(xì)胞中依然能檢測到其熒光信號。 更重要的是,前期的細(xì)胞毒性實驗顯示,我們制備的AIE 聚合物和鈣黃綠素相比表現(xiàn)出了更好的生物相容性[4]。這些結(jié)果充分展示了AIE 聚合物良好的特異性和生物兼容性。

此外,我們還設(shè)計并發(fā)展了一種可與鈣離子螯合的水溶性AIE 共軛聚合物。 兩者形成的聚集體可通過胞吞途徑實現(xiàn)對成骨分化細(xì)胞的特異性成像。 同時,還可用于對成骨分化過程進(jìn)行動態(tài)、實時、可持續(xù)觀察,且不影響成骨分化過程。而該聚合物的小分子模型化合物則無法實現(xiàn)對成骨分化細(xì)胞的特異性成像[13]。 由此可見,基于協(xié)同效應(yīng),AIE 聚合物在生物成像中可以獲得小分子材料不具備的特異性及生物兼容性,展現(xiàn)了其在生物成像領(lǐng)域巨大的優(yōu)勢。

診療領(lǐng)域?qū)τ诓牧系囊髣t更高,除了生物安全性以及針對病灶部位的特異性,其發(fā)光效率和穩(wěn)定性也需重點考慮。 AIE 聚合物的結(jié)構(gòu)多樣化和可修飾性能夠彌補(bǔ)小分子材料在功能復(fù)合時的不足。 基于我們前述制備的超強(qiáng)ROS 產(chǎn)生能力的AIE 共軛聚合物,在微生物及哺乳動物細(xì)胞同時存在的情況下,實現(xiàn)了選擇性地只與微生物結(jié)合,且細(xì)胞毒性實驗顯示該聚合物對于哺乳動物細(xì)胞基本沒有毒性。 值得指出的是,其在體外及活體抗菌研究中也展示出了優(yōu)于抗生素頭孢的治療效果[7]。 與上述AIE 聚合物不同,其小分子模型化合物和微生物及哺乳動物細(xì)胞均能高效結(jié)合,并且對后者更是展現(xiàn)出較高的毒性。 其可能原因是：我們所制備的聚合物鏈內(nèi)及鏈間的協(xié)同作用使其具有平衡的親疏水性,從而賦予了其較小分子更好的選擇性及生物兼容性。

鑒于AIE 聚合物表現(xiàn)出比小分子材料更優(yōu)異的性能,我們進(jìn)一步嘗試了在生理環(huán)境中原位構(gòu)建AIE 聚合物并實現(xiàn)其生物學(xué)功能。 基于我們發(fā)展的自發(fā)的炔-胺點擊反應(yīng)在活細(xì)胞內(nèi)實現(xiàn)了聚合反應(yīng)——羰基活化的炔類單體可以自發(fā)地與含四苯基乙烯(TPE)基元的雙胺單體反應(yīng),在產(chǎn)生分子量為7 300 的聚合物的同時,實現(xiàn)了“點亮”型的細(xì)胞成像。 該細(xì)胞內(nèi)聚合可通過原位破壞微管蛋白和肌動蛋白等結(jié)構(gòu)使細(xì)胞壞死,這些都是通過與單一單體或聚合物相互作用無法實現(xiàn)的。 因此,我們基于自發(fā)的炔-胺點擊聚合構(gòu)筑了“Lab-in-cell”,通過一步法實現(xiàn)原位聚合和對腫瘤細(xì)胞的殺傷,將在生物標(biāo)記及抗腫瘤等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[14]。

由此可見,AIE 聚合物因為其多功能性和分子內(nèi)/分子間相互作用賦予的協(xié)同放大效應(yīng),使得其通常能獲得性能更高或者小分子材料不具備的性質(zhì),從而在生物醫(yī)藥領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢,有望成為新一代的智能型生物醫(yī)用材料。

4 展 望

如上所述,AIE 聚合物具有高固態(tài)發(fā)光效率、良好的成膜性、顯著的協(xié)同放大效應(yīng)及多功能修飾性能等,從而表現(xiàn)出優(yōu)于AIE 小分子的光物理特性,甚至還擁有后者通常不具備的眾多優(yōu)異性能,使其在光電、傳感和生物等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

但相比于發(fā)展較成熟的小分子AIE 材料,目前AIE 聚合物的研究依然面臨著很多的挑戰(zhàn),例如：(1)用于構(gòu)建高性能聚合物的AIE 基元還不夠豐富；(2)用于構(gòu)筑AIE 聚合物的高效聚合反應(yīng)還有待進(jìn)一步發(fā)展；(3)制備AIE 聚合物的策略還比較欠缺；(4)非傳統(tǒng)發(fā)光AIE 聚合物的體系還需要進(jìn)一步擴(kuò)展；(5)非傳統(tǒng)發(fā)光AIE 聚合物的發(fā)光機(jī)理還需要進(jìn)一步厘清；(6)AIE 聚合物在能源、健康及環(huán)境等領(lǐng)域的獨特應(yīng)用需要進(jìn)一步展示。 然而,上述挑戰(zhàn)也意味著大量的機(jī)遇,從根本上解決上述問題不僅可以得到系列性能優(yōu)異的AIE 聚合物并實現(xiàn)其獨特的高技術(shù)應(yīng)用,還可以更進(jìn)一步展示其優(yōu)于小分子和傳統(tǒng)發(fā)光高分子的特征。 同時,也勢必會極大地推動AIE 領(lǐng)域甚至整個發(fā)光領(lǐng)域的發(fā)展。