黃申林，仲偉仁，張雪丹，李守濟，蔡旭敏

(江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，南京 210037)

光，與人類社會的發(fā)展息息相關(guān)。光既是生命的起源，也是推動社會發(fā)展的必要因素。隨著時代的發(fā)展，光學(xué)材料在顯示、照明和醫(yī)療等領(lǐng)域被賦予更多的預(yù)期要求。對于傳統(tǒng)的熒光分子，多數(shù)是研究其在單分子態(tài)下的發(fā)光性能。在被制備成薄膜或納米顆粒材料后，熒光分子成為聚集態(tài)，其光物理性質(zhì)不如人意，常常表現(xiàn)出聚集導(dǎo)致熒光猝滅(aggregation-caused quenching,ACQ)現(xiàn)象。究其原因，傳統(tǒng)的熒光分子大多具有平面共軛結(jié)構(gòu)，在聚集狀態(tài)下易發(fā)生π-π堆積，激發(fā)態(tài)下能量損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致發(fā)光性能不佳；因此，通過物理或化學(xué)方法來抑制傳統(tǒng)發(fā)光分子ACQ效應(yīng)的研究從未停息。直到2001年，唐本忠院士提出聚集誘導(dǎo)發(fā)光(aggregation-induced emission,AIE)概念[1]，利用發(fā)光分子自身聚集過程來提高發(fā)光效率。不同于傳統(tǒng)分子的ACQ效應(yīng)，具有AIE性能的發(fā)光分子大多具有扭曲的構(gòu)象，表現(xiàn)出在單分子態(tài)下不發(fā)光，在聚集態(tài)下發(fā)光的現(xiàn)象(圖1)。分子內(nèi)運動受限(restriction of intramolecular motions,RIM)是造成該現(xiàn)象的主要原因：扭曲構(gòu)象的分子在聚集狀態(tài)下，分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)或振動等物理作用被限制，從而阻斷了非輻射躍遷途徑，打開了輻射衰減的通道，致使熒光發(fā)射增強。這種特性能夠彌補ACQ分子帶來的性能上缺陷，使其能夠成為新一代發(fā)光材料，在光電器件、檢測、成像以及生物治療等應(yīng)用領(lǐng)域具有良好前景[2-5]。

此后，研究人員往往采取人工合成技術(shù)來開發(fā)具有扭曲結(jié)構(gòu)的分子，使其具備AIE性能。但有機合成存在原料不可再生、合成過程煩瑣、產(chǎn)物分離困難等缺點。近年來，有研究人員發(fā)現(xiàn)某些生物質(zhì)具有AIE性能[6-8]。生物基AIE分子相較于傳統(tǒng)合成的AIE分子，具有生物相容性高、綠色可再生、成本更具競爭性等優(yōu)點。植物化學(xué)品作為生物質(zhì)的主要組成部分，將其直接或化學(xué)修飾制備成植物化學(xué)品基AIE光學(xué)材料進行系統(tǒng)研究，不僅可拓展AIE材料的研究對象，同時可提升植物化學(xué)品的附加值。筆者從植物化學(xué)品入手，對近年來相關(guān)AIE研究成果進行綜述。

a)熒光素隨水含量增加的熒光聚集猝滅現(xiàn)象；b)六苯基噻咯隨水含量增加的聚集誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象。圖1 ACQ分子與AIE分子的聚集現(xiàn)象[9]Fig.1 Aggregation of ACQ and AIE molecules

1 植物化學(xué)品AIE材料研究

植物化學(xué)品包含小分子和大分子，主要包括生物堿、黃酮、維生素、纖維素和木質(zhì)素。植物化學(xué)品直接來源于植物，大多具有簡單易得、成本可競爭的特點。這些含有AIE特性的植物化學(xué)品具有潛在的應(yīng)用價值。

1.1 生物堿

生物堿大多數(shù)具有復(fù)雜的含氮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，具有顯著的抗菌活性[10]和光學(xué)活性。近年來，許多課題組發(fā)現(xiàn)某些生物堿具有AIE性能，例如黃連中的鹽酸小檗堿、黃藤中的黃藤素、白屈菜中的血根堿和白屈菜紅堿等[8,11-12]，他們成功將這類生物堿應(yīng)用到生物成像和生物治療。

中草藥分離出的鹽酸小檗堿是一種固體狀態(tài)下具有較強熒光且水溶性好的AIE分子[8]。實驗表明鹽酸小檗堿的AIE現(xiàn)象源自分子內(nèi)振動受限(restriction of intramolecular vibration,RIV)和扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(twisted intramolecular charge transfer，TICT)。研究人員將其應(yīng)用于活體肝組織中的脂滴成像(圖2)。黃藤素是一種具有AIE性能的天然產(chǎn)物，細胞毒性低，HeLa細胞成像能力好，是一種很有潛力的AIE探針[11]。白屈菜中的血根堿和白屈菜紅堿，在甲醇/水的混合溶液中，以非離子形式和季銨鹽形式兩種分子構(gòu)象存在。其中以季銨鹽構(gòu)象存在的白屈菜紅堿能夠特異性定位到活細胞的線粒體中，有線粒體成像潛力[12]。

在生物治療方面，部分具有AIE性能的生物堿可以利用光動力治療殺死癌細胞。光動力治療主要涉及光、光敏劑和氧氣三要素。光敏劑受光激發(fā)，發(fā)生系間竄躍衰變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿丶ぐl(fā)態(tài)。三重激發(fā)態(tài)的光敏劑容易與三重基態(tài)的氧分子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生活性氧，引發(fā)氧化損傷和細胞死亡[13]。既被證實具有AIE性能的鹽酸小檗堿，也被發(fā)現(xiàn)可通過光動力治療途徑消滅癌細胞[14]。Zhu等[15]以經(jīng)典的DNA四面體為載體，將具有AIE性能的天然光敏劑黃藤素鹽酸鹽為載物，實現(xiàn)在細胞內(nèi)傳送黃藤素鹽酸鹽。他們對比評估黃藤素鹽酸鹽和黃藤素鹽酸鹽/DNA四面體在肝癌HepG2細胞內(nèi)活性氧生成能力，發(fā)現(xiàn)將其聯(lián)合使用能夠產(chǎn)生更多的活性氧，提升光毒性能力。

a)鹽酸小檗堿的提取及I/I0與四氫呋喃含量的關(guān)系；b)鹽酸小檗堿在水、乙醇和二氯甲烷中的熒光發(fā)射譜圖(狹縫：3 nm)；c)與商業(yè)化靶向脂滴染料相比，鹽酸小檗堿染色HeLa細胞及活體肝細胞中的脂滴熒光圖像；d)測試鹽酸小檗堿的光穩(wěn)定性。圖2 鹽酸小檗堿的AIE與TICT性能及脂滴成像[8]Fig.2 AIE and TICT properties and lipid droplet imaging of berberine hydrochloride

1.2 黃 酮

槐樹中提取的槲皮素被發(fā)現(xiàn)是一種具有激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(excited state intramolecular proton transfer,ESIPT)的AIE分子[16]。Long等[17]從白花蛇舌草中提取的金絲桃苷，發(fā)現(xiàn)其易與β-半乳糖苷酶發(fā)生選擇性反應(yīng)，水解產(chǎn)生疏水的槲皮素，能夠靶向活細胞中的β-半乳糖苷酶并成像。桑色素是一種常見的黃酮醇，在水溶液中表現(xiàn)出ACQ效應(yīng)。但將桑色素與聚乙烯亞胺置于同一水相，致使桑色素之間的H-聚集體解離，這限制了桑色素的拉伸或旋轉(zhuǎn)，減少了非輻射衰變過程，使研究人員觀察到聚集誘導(dǎo)發(fā)光增強(AIEE)現(xiàn)象[18]。同屬于黃酮類活性物質(zhì)的山柰酚在四氫呋喃/水體系中也具有AIE性能，它在聚集態(tài)下能夠與Al3+發(fā)生絡(luò)合，絡(luò)合作用增強分子剛性，減少分子內(nèi)運動等非輻射躍遷消耗，使熒光發(fā)射更強，最終可用于植物擬南芥根的Al3+檢測[19]。楊梅素是一類天然黃酮醇有機物。Long等[20]發(fā)現(xiàn)從藤茶中提取出的楊梅素可特異性識別O2-，識別機制解釋為B環(huán)上鄰位羥基的氧化，從而發(fā)生熒光反應(yīng)。識別O2-即是氧化過程，氧化產(chǎn)物楊梅素-奎寧具有疏水性，聚集狀態(tài)下具有AIE性能，這是開啟熒光發(fā)射的主要原因。實驗人員成功地將楊梅素應(yīng)用在HeLa細胞成像和小鼠體內(nèi)實現(xiàn)對O2-的識別(圖3)。

a)楊梅素的提取及識別O2-；b)楊梅素在不同處理下對HeLa細胞成像；c)楊梅素在不同環(huán)境下識別小鼠體內(nèi)O2-。圖3 楊梅素與O2-反應(yīng)后的熒光機理及應(yīng)用[20]Fig.3 Fluorescence mechanism of myricetin after reaction with O2- and applications

1.3 維生素

核黃素，又名維生素B2，常常存在于綠葉蔬菜及豆類中。Xu等[21]首次發(fā)現(xiàn)核黃素是一種天然的具有激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移性能的AIE分子，其聚集態(tài)下的綠色熒光可歸因于分子內(nèi)運動受限，并且他們成功將核黃素應(yīng)用于HeLa細胞成像。

1.4 其他植物化學(xué)品

1.4.1 纖維素

纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，是植物界第一大生物質(zhì)材料。傳統(tǒng)的發(fā)光團往往具有顯著的共軛體系，而某些發(fā)光團被發(fā)現(xiàn)具有基于亞基的非共軛結(jié)構(gòu)，這種非傳統(tǒng)發(fā)光團可歸因于簇發(fā)光。簇發(fā)光機制廣泛適用各種天然、合成和超分子體系[22]。Du等[23]研究非共軛的微晶纖維素的光物理性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)微晶纖維素在固態(tài)下表現(xiàn)出明亮的藍光發(fā)射。其解釋為微晶纖維素在聚集態(tài)下，分子的羥基聚集，加強分子內(nèi)與分子間的空間相互作用，形成了擴展的電子離域，從而表現(xiàn)為AIE性能，即簇發(fā)光機制。

1.4.2 木質(zhì)素

木質(zhì)素是植物界第二大生物質(zhì)材料，含有豐富的芳環(huán)結(jié)構(gòu)、脂肪族和芳香族羥基以及醌基等活性基團。研究人員發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素具有AIE性能，并認(rèn)為這種非共軛結(jié)構(gòu)的AIE性能來源于羰基的聚集與分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限[24]。Xue等[25]分析木質(zhì)素的聚集熒光行為和基本熒光性質(zhì)，認(rèn)為苯基丙烷單元的聚集誘導(dǎo)共軛是木質(zhì)素可見光發(fā)射的主要來源，同時指出木質(zhì)素的聚集熒光行為有應(yīng)用于微觀結(jié)構(gòu)分析的潛力。

2 植物化學(xué)品衍生物AIE材料研究

植物化學(xué)品衍生物包括生物堿衍生物、黃酮衍生物、萜類衍生物、香豆素衍生物以及其他植物化學(xué)品衍生物。自然界已發(fā)現(xiàn)的具有AIE性能的植物化學(xué)品較少，因此對植物化學(xué)品進行化學(xué)衍生，有利于拓寬植物化學(xué)品在AIE領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2.1 生物堿衍生物

吲哚類衍生物作為生物堿衍生物的重要組成部分，能否應(yīng)用在聚集誘導(dǎo)發(fā)光領(lǐng)域，也引起了一定關(guān)注。蘇姍[26]合成了具有AIE性能的吲哚基四苯乙烯衍生物TPE-2indo。TPE-2indo被證實能夠靶向線粒體并實現(xiàn)成像,體內(nèi)外實驗和激光共聚焦成像實驗顯示TPE-2indo可以檢測細胞中的活性成分H2S。此外，吲哚可用來合成靛藍，一種由叔丁氧羰基修飾的靛藍衍生物Indigoid-B被報道[27]，超聲處理后在四氫呋喃/水混合溶劑中形成清晰的微晶體，表現(xiàn)出結(jié)晶誘導(dǎo)發(fā)射。Indigoid-B分子堆積時的面面間距0.677 nm，間距較大，所以不存在π-π作用。此外，分子間還存在氫鍵作用，從而促進結(jié)晶誘導(dǎo)發(fā)射行為。

自鹽酸小檗堿被發(fā)現(xiàn)是AIE分子以來，人們對其衍生物AIE性能的研究從未停止。Gu等[28]發(fā)現(xiàn)二氫小檗堿是一種抗光漂白、對pH敏感的AIE分子。二氫小檗堿的AIE現(xiàn)象源于分子內(nèi)振動受限。二氫小檗堿因其非電離性，容易進入疏水細胞膜，實現(xiàn)可視化離子捕獲過程。同樣，Tang等[29]設(shè)計合成了一系列不同取代基小檗堿衍生物。13-羥基小檗堿因為羥基的存在，利于J-聚集形成和保持分子平面化，有利于表現(xiàn)出AIEE性能。13-羥基小檗堿不僅對pH具有刺激響應(yīng)性，而且具有較高的細胞活性。激光掃描共聚焦顯微鏡實驗發(fā)現(xiàn)13-羥基小檗堿易于進入HepG2細胞，有作為細胞內(nèi)pH探針的可能性。

嘌呤生物堿基本具有較大的π共軛結(jié)構(gòu)[30]，因此可對嘌呤進行修飾，設(shè)計出長發(fā)射波長的熒光分子。Shi等[31]合成了一系列嘌呤基AIE分子，在給電子吲哚基團的基礎(chǔ)上設(shè)計了多種吸電子基團，因為分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用，這些AIE分子固態(tài)下具有熒光發(fā)射紅移的趨勢。實驗證實，這些嘌呤基AIE分子表現(xiàn)出脂滴特異性成像功能。

2.2 黃酮衍生物

2-羥基查耳酮及其衍生物是一類新型的具有ESIPT的發(fā)色團[32]。Song等[33]開發(fā)了一種基于磷酸化查耳酮衍生物的比率熒光探針HCAP。HCAP在溶液態(tài)下為黃光發(fā)射，當(dāng)外環(huán)境存在堿性磷酸酶時，HCAP上的磷酸基團可被堿性磷酸酶裂解，裂解后的不溶性酶產(chǎn)物聚集發(fā)出紅光，體現(xiàn)出AIE性能；因此，HCAP可檢測活細胞中堿性磷酸酶含量。在 2-羥基查耳酮的基礎(chǔ)上，有人也開發(fā)了一種熒光探針DNBS-HCA[34]。DNBS-HCA可與生物硫醇發(fā)生特異性響應(yīng)，生成具有AIE性能的紅色發(fā)色團。它不僅可以用于測定溶液與活細胞中的生物硫醇，還可以做成生物硫醇指示紙。

此外，Li等[35]以不同取代基的苯甲醛與苯乙酮反應(yīng)得到查耳酮，再通過熱脫水反應(yīng)合成了一系列的黃烷酮化合物，化合物1、2表現(xiàn)出明顯的AIEE性能。根據(jù)溶液增稠實驗推測，化合物1、2產(chǎn)生AIEE的原因是分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限(restriction of intramolecular rotation，RIR)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)兩種化合物能夠特異性靶向A549肺細胞的線粒體和實現(xiàn)斑馬魚體內(nèi)成像。

2.3 萜類衍生物

萜類衍生物AIE性能的研究主要涉及β-蒎烯、長葉烯、樟腦和脫氫樅酸的相關(guān)工作。諾蒎酮是β-蒎烯的氧化衍生物，其分子內(nèi)的羰基、活性氫容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，具有的剛性結(jié)構(gòu)和多環(huán)單元，有利于電荷轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)換?；诖诵再|(zhì)，姜倩等[36]以諾蒎酮為原料合成3個含有不同苯環(huán)數(shù)的諾蒎烷基β-二酮氟化硼配合物，其中化合物2b、2c有AIE性能。光物理性質(zhì)的差異體現(xiàn)在苯環(huán)和萘環(huán)的引入，擴大了π電子共軛體系，致使熒光發(fā)射波長紅移。在對諾蒎酮的研究上，他們還合成一種AIE型金屬離子傳感器PBPHS[37]。分子內(nèi)的氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)易于與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，能夠高靈敏性地檢測出Hg2+和Cu2+，檢測極限分別為15和17 nmol/L。

同時，該課題組還研究了異長葉烷酮相關(guān)衍生物，合成了5種六氫喹唑啉-2-氨基衍生物[38]，比較評估了結(jié)構(gòu)差異對熒光發(fā)射的影響，得出苯基上對位取代基的給電子能力調(diào)控整個分子光物理性能的結(jié)論。化合物3e正因為苯基上的二甲基氨基的供電子能力較強，才呈現(xiàn)出明顯的AIE性能。這5種化合物均可作為Zn2+探針，具有高選擇性和靈敏度。

此外，在樟腦研究方面，該課題組采用3步合成法設(shè)計了一種樟腦基衍生物比率熒光探針CPD[39]?；贓SIPT機理和AIE性能的CPD表現(xiàn)出紅色熒光發(fā)射。當(dāng)環(huán)境中有Ga3+存在時，含有多個氮原子、氧原子結(jié)合位點的CPD可與Ga3+特異性配合，發(fā)出黃綠光。同時CPD-Ga3+配合物可特異性響應(yīng)三磷酸腺苷，回到紅色熒光發(fā)射。此探針可實現(xiàn)在體內(nèi)外先后標(biāo)記檢測Ga3+與三磷酸腺苷，具有應(yīng)用于人體內(nèi)健康監(jiān)測的潛力。

脫氫樅酸是由歧化松香分離提純得到的一種樹脂酸，可以進行多種親電取代反應(yīng)，但作為光學(xué)功能材料的研究尚少。而脫氫樅酸衍生物容易與水楊醛反應(yīng)得到希夫堿，這種柔性結(jié)構(gòu)具有光異構(gòu)化性質(zhì)[40]。Cai等[6]成功地以天然松香為原料合成了一系列脂環(huán)融合的希夫堿。希夫堿DAMB-SA和DAMB-SAB表現(xiàn)出明顯的AIE性能，DAMB-SAN則是AIEE性能。自然脂環(huán)基團的引入使分子剛硬化并抑制分子處于激發(fā)態(tài)時的運動，減少了非輻射躍遷的能量損耗，致使AIE性能的存在。這種脂環(huán)融合的希夫堿具有靶向脂滴和溶酶體并成像的能力，從而賦予天然松香更高的附加值(圖4)。

圖4 脫氫樅酸衍生物光物理性質(zhì)及成像能力[6]Fig.4 Photophysical properties and imaging ability of dehydroabietic acid derivatives

2.4 香豆素衍生物

關(guān)于香豆素衍生物AIE材料的研究，所涉及的文獻數(shù)量和方向眾多，為此筆者按照發(fā)光機制、發(fā)光性能和應(yīng)用3個方面分別進行闡述。

2.4.1 香豆素衍生物AIE材料的發(fā)光機制

1) 分子內(nèi)運動受限(RIM)：RIM是香豆素衍生物具有AIE性能的主要機理。兩種分別含有五元脂肪環(huán)的CD-5和含有七元脂肪環(huán)的CD-7香豆素衍生物，表現(xiàn)出不同的熒光特性[41]：CD-5表現(xiàn)出ACQ，而CD-7則是典型的AIE分子(圖5)。實驗人員認(rèn)為CD-7較大的脂肪環(huán)削弱了結(jié)構(gòu)剛性，促進了分子骨架的非平面扭轉(zhuǎn)。聚集體中扭轉(zhuǎn)運動受到限制，阻止了非輻射衰變通道，使CD-7能夠發(fā)出強烈的熒光，體現(xiàn)了RIM的作用。

a)CD-5和CD-7的結(jié)構(gòu)式;b)CD-5和CD-7在CH2Cl2中的熒光發(fā)射光譜(濃度10 μmol/L，激發(fā)波長411 nm)。圖5 香豆素衍生物CD-5和CD-7的熒光特性[41]Fig.5 Fluorescence characteristics of coumarin derivatives CD-5 and CD-7

2) 激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)：某些具有AIE性能的香豆素衍生物也存在ESIPT過程[42-45]。ESIPT是由分子內(nèi)氫鍵介入的一個快速光誘導(dǎo)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，具有ESIPT性能的分子在基態(tài)以烯醇(E)式存在穩(wěn)定，而在光激發(fā)后以酮(K)式存在更為穩(wěn)定。Xiao等[46]合成了兩個香豆素基熒光分子CHC和CHN，兩者皆具有AIE特性，同時涉及ESIPT過程。CHC和CHN分子被光激發(fā)后，涉及一個快速的四級循環(huán)過程(E-E*-K*-K)，表現(xiàn)出雙波長發(fā)射和大的斯托克斯位移現(xiàn)象。

3)扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(TICT)：若具有AIE性能的香豆素衍生物存在電子給體-電子受體結(jié)構(gòu)，則可能存在TICT過程。TICT過程往往伴隨著溶劑致變色效應(yīng)，而聚集狀態(tài)下發(fā)光增強的原因是從本征激發(fā)態(tài)到扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)變受到了抑制[47]。Zhang等[48]將大體積二苯基胺電子給體、戊酸酯電子受體與香豆素結(jié)合，合成了具有溶劑致變色的AIE熒光團DPACP。DPACP熒光發(fā)射光譜受溶劑極性影響，隨著溶劑極性增加，最大發(fā)射波長從436 nm(溶劑為2-甲基戊烷)顯著紅移到553 nm(溶劑為乙腈),且強度降低，被視為典型的 TICT過程。

4)熱活化延遲熒光(TADF)：某些香豆素衍生物也具備TADF性質(zhì)。激發(fā)態(tài)下的單線態(tài)和三線態(tài)能級相差不大，在熱能的輔助下可實現(xiàn)激子從三線態(tài)回到單線態(tài)，單線態(tài)激發(fā)態(tài)再退激發(fā)回到基態(tài)，退激發(fā)過程發(fā)射熒光。這種熒光發(fā)射行為被稱為熱活化延遲熒光。Yan等[49]設(shè)計了一種希夫堿型香豆素衍生物CDPA，發(fā)現(xiàn) CDPA薄膜的熒光壽命達到10 μs。他們通過測試不同溫度下的熒光發(fā)射，計算出CDPA的最大發(fā)射波長與溫度維持線性關(guān)系，表現(xiàn)出TADF。同時對分子軌道能級進行理論計算，最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未占分子軌道(LUMO)的能隙較小，為T1到S1態(tài)的反向系間竄越創(chuàng)造條件，使其具有TADF創(chuàng)造的可能性。

2.4.2 香豆素衍生物AIE材料的發(fā)光性能

1)AIE性能：香豆素衍生物AIE材料的AIE性能主要從AIE/AIEE、Stokes位移和aAIE這3個角度進行表述。AIE性能表現(xiàn)為化合物在單分子態(tài)無熒光發(fā)射，在聚集態(tài)下具有熒光發(fā)射，而AIEE性能則體現(xiàn)在聚集態(tài)下熒光發(fā)射增強。這兩種不同發(fā)光性能與分子結(jié)構(gòu)及分子間相互作用有關(guān)，例如前面所述的五元環(huán)與七元環(huán)香豆素衍生物分子的發(fā)光性能的差異。較大的脂環(huán)會增加分子的扭曲程度，從而體現(xiàn)AIE性能[41]。含有香豆素取代基的多芳基吡咯可體現(xiàn)出AIEE性能[50]。單晶分析顯示強烈的分子間相互作用是聚集態(tài)下較強熒光發(fā)射的主要原因。

激發(fā)峰位與發(fā)射峰位的波長差稱為Stokes位移。在研究電子給體-電子受體結(jié)構(gòu)分子的AIE性能時，Stokes位移常常與ESIPT效應(yīng)有關(guān)[45]。具有電子給體-電子受體結(jié)構(gòu)的香豆素衍生物CHC是具有典型的ESIPT效應(yīng)的分子，有極大的Stokes位移，表現(xiàn)出紅光發(fā)射[46]。

aAIE為某一環(huán)境下的熒光發(fā)射強度(I)與原始環(huán)境下的熒光發(fā)射強度(I0)的比值，體現(xiàn)隨著環(huán)境變化最大熒光發(fā)射的變化趨勢[42]。AIE性能表現(xiàn)在隨著不良溶劑含量的增加，aAIE呈現(xiàn)上升趨勢。聚集體的聚集程度影響著aAIE的大小。例如Ren等[50]合成的香豆素基吡咯衍生物在高比例不良溶劑的混合溶劑中，aAIE數(shù)值反而降低，這歸因于分子過于聚集導(dǎo)致沉淀,反而減弱了熒光發(fā)射強度。

2)力致發(fā)光和力致變色性能：力致發(fā)光是指物質(zhì)在受到機械作用如摩擦、加壓、沖擊、破碎以及超聲等產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。Peng等[51]制備的四苯乙烯-香豆素化合物C3Ph具備力致發(fā)光性能。研究人員將晶體置于兩塊石英玻璃之間磨成粉末。原先無熒光發(fā)射的C3Ph晶體產(chǎn)生熒光發(fā)射，熒光量子產(chǎn)率Φs值從0.13%增加到25.2%。熒光來源于晶體中的π-π堆積作用在研磨下被破壞。力致變色體現(xiàn)在外力的作用下，分子的熒光發(fā)射波長與強度發(fā)生變化。例如前面所述合成的AIE性能熒光團DPACP[48]，它就具備力致變色性能。將該樣品研磨后，發(fā)射光譜從438 nm紅移到483 nm，熒光量子產(chǎn)率從19%提高到28%。研磨后樣品的結(jié)晶度下降，晶型的變化可視為力致變色的根本原因。

3)熱致變色性能：具有熱致變色性能的化合物在外界環(huán)境溫度發(fā)生改變時，熒光顏色會隨之發(fā)生變化[47]。偶氮甲基連接的香豆素-噻唑雜化染料CS-Azine表現(xiàn)出熱致變色性能[45]。差熱分析表明，當(dāng)溫度在280～285 ℃范圍內(nèi)，分子發(fā)生了相變，導(dǎo)致CS-Azine分子堆積改變，產(chǎn)生從黃橙色到紅色的熒光發(fā)射變化。

4)溶致變色性能：溶致變色體現(xiàn)在隨著溶劑極性的改變，化合物的吸收和發(fā)射光譜會隨之發(fā)生變化。正溶致變色表現(xiàn)為光譜峰值隨溶劑極性的增加而不斷紅移。Yan等[52]合成了兩種具有三苯胺-香豆素結(jié)構(gòu)的雙生色團化合物TC和TF。TC在己烷、乙酸乙酯、四氫呋喃和二氯甲烷中顯示出單一的熒光發(fā)射峰，從427 nm持續(xù)紅移到513 nm，體現(xiàn)正溶致變色性能。

5)光致變色性能：光致變色指某些化合物在一定的波長和強度的光照射下，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得吸收峰改變即顏色的變化，一般在熱能的輔助下可恢復(fù)為原始狀態(tài)，具有可逆性。一種含二噻吩乙烯的香豆素衍生物B2C便具有此性能[53]。紫外照射后溶液狀態(tài)下的分子發(fā)生環(huán)化，熒光持續(xù)增強。在可見光照射下，閉環(huán)結(jié)構(gòu)吸收熱能回到開環(huán)結(jié)構(gòu)，發(fā)生被漂白至無色的過程。

2.4.3 香豆素衍生物AIE材料的多功能應(yīng)用

1)多方面檢測：陰陽離子的檢測是一個研究熱點。Padhan等[42]合成的香豆素-水楊酸亞甲基希夫堿探針在水相中對Cu2+具有超靈敏性(圖5)，熒光檢測限為1.5 ppb，遠低于其他Cu2+離子傳感器在水介質(zhì)中的檢測限。Chen等[54]基于吡唑并[3,4-b]吡啶基香豆素,設(shè)計了一種開關(guān)型熒光傳感器PPC-S，非AIE性能的PPC-S在接觸Hg2+時，發(fā)生脫硫反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為具有AIE性能的PPC-O，可用于對Hg2+的熒光開啟檢測。香豆素衍生物也可用來檢測生物大分子。例如，基于香豆素具有雙信號開啟性質(zhì)的AIE熒光探針，能夠與caspase-3酶發(fā)生相互作用，致使雙信號開啟，能夠?qū)崟r高效監(jiān)測caspase-3酶在溶液和活細胞中的活性[55]。

不局限于離子和生物大分子，香豆素衍生物也具有如檢測指紋[56-57]、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[50,56]等其他應(yīng)用。例如，由香豆素和喹啉作為電子給體和受體的AIE熒光探針CHBQ，具備檢測pH能力[58]。其探針的具體表現(xiàn)為：在紫外燈(365 nm)照射下，當(dāng)環(huán)境酸性減弱時，溶液發(fā)射的熒光發(fā)生由青色到藍色的變化；當(dāng)環(huán)境堿性增強時，溶液的熒光由藍色逐漸變暗。鑒于CHBQ對于pH的敏感性，其可做成pH試紙。

2)細胞成像：在細胞成像方面，基于香豆素衍生物設(shè)計的AIE熒光探針表現(xiàn)出一定的潛力。Huang等[59]制備的香豆素-氟硼二吡咯在626和550 nm處有熒光發(fā)射峰，將人乳腺癌細胞與香豆素-氟硼二吡咯一起孵育時出現(xiàn)明顯的鮮紅色熒光和綠色熒光通道，具有雙通道成像能力。

3)有機發(fā)光二極管：制備成高性能的有機發(fā)光二極管(OLED)是AIE 材料最有前景的應(yīng)用之一。Yan等[49]將希夫堿型香豆素衍生物CDPA作為器件的發(fā)光層，其電致發(fā)光光譜表現(xiàn)出雙發(fā)射峰，波長疊加后發(fā)出明亮的橙光。器件的最大電流效率、功率效率和外量子效率分別為3.5 cd/A、1.82 lm/W和1.3%，表現(xiàn)出優(yōu)良的發(fā)光性能，具有應(yīng)用于OLED的潛力。

2.5 其他植物化學(xué)品衍生物

2.5.1 姜黃素衍生物

利用姜黃素可合成AIE活性探針Cur-N-BF2，它有望成為治療阿爾茨海默病的藥物[60]。實驗人員發(fā)現(xiàn)Cur-N-BF2可以選擇性染色β-淀粉樣蛋白(Aβ)原纖維和斑塊，并能抑制Aβ纖維化并分解預(yù)先形成的Aβ原纖維，使神經(jīng)元細胞免受Aβ纖維的損傷，具有保護神經(jīng)細胞的能力。

2.5.2 毛地黃皂苷衍生物

Mathew等[61]首次報道在毛地黃皂苷水溶液中加入強堿能產(chǎn)生AIE現(xiàn)象，熒光變化表現(xiàn)為弱發(fā)光到強藍色發(fā)光。在堿性作用下毛地黃皂苷部分脫質(zhì)子，形成了強烈的分子間和分子內(nèi)氫鍵，限制分子旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致熒光增強。此外，經(jīng)堿處理的毛地黃皂苷與羅丹明混合，可發(fā)生激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出藍綠色發(fā)光到白光的轉(zhuǎn)變，這顯示了其在光電器件領(lǐng)域也會有較好的應(yīng)用前景。

2.5.3 維生素衍生物

Zhang等[62]以維生素E琥珀酸鹽為原料，與芘胺反應(yīng)合成了一種具有AIE性能的維生素E衍生物VESA，在四氫呋喃/水溶液中聚集發(fā)光。然而在溶液中加入Fe3+后，熒光發(fā)生猝滅。依據(jù)這種特性，VESA可作為一種檢測Fe3+的開關(guān)型熒光探針。實驗還發(fā)現(xiàn)VESA容易進入細胞且具有較低的細胞毒性，能夠高靈敏度識別細胞內(nèi)的 Fe3+。同時，他們還將維生素E琥珀酸與四苯乙烯衍生物進行反應(yīng)合成了兩種探針T1和T2，其在四氫呋喃/水溶液中也均具有典型的AIE性能[63]。用這兩種探針制備的濾紙和棉棒可以專門檢測炸藥FOX-7。檢測原理歸根于FOX-7能改變探針的聚集狀態(tài)，并與探針之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。探針聚集態(tài)下的熒光可被FOX-7所吸收，產(chǎn)生熒光猝滅的現(xiàn)象。

2.5.4 纖維素衍生物

在纖維素上接枝常見的熒光基團，有望實現(xiàn)纖維素衍生物更廣闊的AIE應(yīng)用[64]。Nagai等[65]在2,3-二甲氧基纖維素上修飾電子給體芘基團，再與小分子受體結(jié)合形成電荷轉(zhuǎn)移型AIE復(fù)合物，表現(xiàn)出近紅外熒光發(fā)射，有望應(yīng)用于生物醫(yī)用成像。

棉花中的纖維素含量近似100%，鑒于此，Peng等[66]將酯化后的棉短絨鑄造為水凝膜，再進行原位修飾，設(shè)計了一系列AIE活性的熒光纖維素薄膜，擁有阻斷近100%紫外線的能力。這種卓越的性能吸引實驗人員在紫外防護、防偽和LED領(lǐng)域進行嘗試，證實這種薄膜具有應(yīng)用潛力。在尋找適用醚化纖維素的溶劑時，Cai等[67]發(fā)現(xiàn)4-溴甲基苯甲酸與微晶纖維素醚化得到的產(chǎn)物表現(xiàn)出更亮的發(fā)光。與其他醚化纖維素進行對比發(fā)現(xiàn)，該分子結(jié)晶度高，具有強的分子間相互作用力，被視為AIE性能優(yōu)越的主要原因。

2.5.5 木質(zhì)素衍生物

木質(zhì)素在聚合物鏈中具有豐富的羥基，具有極易被改性的特性。Shi等[68]制備了木質(zhì)素磺酸鹽與親水二嵌段共聚物組成的超分子配合物，其中親水二嵌段共聚物含有多個作用位點。親水二嵌段共聚物比例增加和環(huán)境pH增大有利于配合物趨向AIE性能。靜電相互作用和氫鍵作用能夠改變分子內(nèi)運動受限程度，從而調(diào)控分子的熒光發(fā)射。

近年來對植物化學(xué)品衍生物AIE材料的研究眾多，主要是因為植物化學(xué)品具有結(jié)構(gòu)確定、易于化學(xué)修飾和性能調(diào)節(jié)的優(yōu)點。然而，有些植物化學(xué)品衍生物的化學(xué)衍生過程復(fù)雜，導(dǎo)致合成成本升高，大大降低了植物化學(xué)品成本可競爭的優(yōu)勢。

3 植物化學(xué)品基AIE納米材料研究

將植物化學(xué)品及其衍生物與聚合物組裝為納米顆粒，或通過水熱等方法制備為碳點，可視為一種綠色、簡單的衍生法。

3.1 納米顆粒

植物化學(xué)品基AIE納米顆粒，因粒徑微小，易于進入生物細胞，具有成像或治療等作用。一種三苯基膦-香豆素的AIE探針TPP-C被報道[69]，其在水溶液及有機溶劑/水混合溶液中均可發(fā)生自組裝形成納米顆粒，能夠靶向線粒體。研究人員成功將阿霉素封裝到納米顆粒內(nèi)，此納米材料可作為藥物遞送載體。落葉松樹皮通常被視為廢棄物，但Han等[70]充分利用落葉松樹皮，采用超聲破碎法將其制備成納米顆粒，發(fā)現(xiàn)其在溶液中表現(xiàn)為AIE性能。實驗表明，溶劑的高濃度、低溫和高黏度環(huán)境均會限制分子中芳香環(huán)的旋轉(zhuǎn)和振動，從而增強熒光發(fā)射。此納米顆粒既可用于人成骨肉瘤細胞成像，也能特異性識別Fe3+。

木質(zhì)素具有優(yōu)良的自組裝能力，很容易將其制備為納米顆粒。酶解木質(zhì)素納米顆?？尚纬?J-聚集體，這種J-聚集狀態(tài)下π-π堆積減少，具有AIE性能。摻雜該納米粒子的聚乙烯醇薄膜可作為檢測甲醛的熒光傳感器[71]。Gu等[72]首次將酶解木質(zhì)素納米顆粒作為納米交聯(lián)劑，制備超分子水凝膠。聚丙烯酸、偶氮苯胍和a-環(huán)糊精接枝酶解木質(zhì)素通過主客體相互作用及離子相互作用形成三維網(wǎng)絡(luò)。超分子水凝膠黃色熒光發(fā)射的AIE效應(yīng)歸因于J-聚集體的形成。在紫外光與藍光的切換激發(fā)下，超分子水凝膠因為構(gòu)象的變化，可發(fā)生溶膠-凝膠的可逆轉(zhuǎn)變，有功能化應(yīng)用潛力。

皂苷作為一種表面活性劑，與AIE分子結(jié)合形成納米顆粒，易于進入細胞同時發(fā)揮AIE性能的作用。Nicol等[73]將二苯咪唑與皂苷結(jié)合形成AIE納米顆粒，用于擬南芥植物體內(nèi)成像。該納米顆粒能夠穿過細胞壁并定位于質(zhì)膜。由于疏水性，二苯咪唑可在擬南芥的根組織分生區(qū)和莖組織的初生木質(zhì)部發(fā)生聚集產(chǎn)生紅色熒光。在另一研究中，AIE分子作為受體,納米粒子為供體，二者在超聲作用下結(jié)合后，再與兩親性皂苷自組裝形成納米顆粒[74]。這種近紅外熒光發(fā)射的AIE分子不僅能夠在亞細胞水平上進行簡單的熒光跟蹤，而且在近紅外波長980 nm激發(fā)下產(chǎn)生大量活性氧用于光動力治療。

殼聚糖、葡萄糖、乳糖等有機物也可作為納米顆粒表面的修飾型基團。具有AIE性能的殼聚糖納米顆粒TPE-CS NPs，能夠有效標(biāo)記細胞并具有長期穩(wěn)定性[75]，即便在染色7 d后，細胞中仍有熒光。Wang等[76]制備了一種基于葡萄糖的AIE聚合物，在水溶液中該聚合物可自組裝成核內(nèi)為AIE分子和表面為糖基的納米顆粒。其中，AIE分子在核內(nèi)聚集，使納米粒子表現(xiàn)出強烈的橙色熒光發(fā)射，量子產(chǎn)率約為41%。表面的糖基賦予納米顆粒優(yōu)異的分散性、良好的生物相容性，實現(xiàn)對A549細胞的細胞質(zhì)成像。

3.2 碳 點

碳點作為新型的碳納米材料，是一種尺寸在10 nm以內(nèi)的熒光納米點，具有穩(wěn)定的光致發(fā)光特性[77-79]。由一步水熱法制備的松香基碳點AIE分子(CD-AIEgens)，具有可調(diào)節(jié)熒光波長的性能[80]。CD-AIEgens與Cu2+絡(luò)合后表現(xiàn)出熒光猝滅,而加入Al3+后表現(xiàn)出熒光增強，用于污水中Cu2+和Al3+的檢測。另外，研究發(fā)現(xiàn)碳核與CD-AIEgens表面三環(huán)菲基聚集體之間會發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，只需改變CD-AIEgens溶液濃度，就可獲得從藍色到黃色的熒光發(fā)射。基于該特點，CD-AIEgens視為一種加密的雙開關(guān)發(fā)光墨水(圖6)。Xiao等[81]選擇天然槲皮素為原料，通過水熱法制備得到具有AIE性能的CD-AIEgens，然后構(gòu)建了一個由葉綠體和CD-AIEgens組成的混合光合系統(tǒng)。相比較于天然葉綠體，CD-AIEgens能夠吸收紫外光，可在更寬的波長范圍內(nèi)吸收光來獲取太陽能?；诖耍珻D-AIEgens可以用來增強葉綠體中太陽能轉(zhuǎn)化效率，提高光合作用效率。

a)樅酸結(jié)構(gòu)及CD-AIEgens打印洗滌實驗；b)用CD-AIEgens打印在紙上，紫外燈(365 nm)照射，風(fēng)干后(左)和加入乙醇后(右)；c) CD-AIEgens作為雙開關(guān)發(fā)光墨水的機理示意圖。圖6 松香基CD-AIEgens的可調(diào)熒光特性[80]Fig.6 Adjustable fluorescence characteristics of rosin based CD-AIegens

4 展 望

對當(dāng)前植物化學(xué)品基AIE材料的研究進展進行了較為詳細的分析，主要涉及生物堿及其衍生物、黃酮及其衍生物、維生素及其衍生物、香豆素衍生物、萜類衍生物、纖維素及其衍生物、木質(zhì)素及其衍生物和其他植物化學(xué)品衍生物，同時總結(jié)了由植物化學(xué)品制備納米顆粒和碳點的AIE研究最新概況。在此基礎(chǔ)上，筆者對未來研究方向展望如下：

1)植物化學(xué)品AIE材料研究方向：目前植物化學(xué)品AIE材料研究主要集中在生物堿、黃酮、維生素、纖維素和木質(zhì)素，其中以黃酮的AIE材料研究最多。目前而言，由于植物化學(xué)品的提取和分離存在一定難度，且植物化學(xué)品分子本身具有AIE性能的可能性相對偏少，因此對天然可再生且易提取的植物化學(xué)品進行化學(xué)衍生得到植物化學(xué)品衍生物AIE材料是不斷擴充植物化學(xué)品基AIE材料的一個有效途徑。

2)植物化學(xué)品衍生物AIE材料研究方向：植物化學(xué)品衍生物AIE材料作為植物化學(xué)品AIE材料的進一步拓展，具有分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計、發(fā)光性能可調(diào)控和應(yīng)用可覆蓋等特點，兼具了天然可再生和設(shè)計調(diào)控兩大優(yōu)勢，對于植物化學(xué)品基AIE材料的研發(fā)具有十分重要的意義。然而，目前植物化學(xué)品衍生物AIE材料主要集中在香豆素衍生物的研究上，對于其他廉價的植物化學(xué)品衍生物還沒有太多的研究。因此，我們可以尋找廉價的植物化學(xué)品作為原料，對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計得到具有優(yōu)異性能的植物化學(xué)品衍生物AIE材料。

3)植物化學(xué)品衍生物雖然具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計、性能可調(diào)節(jié)的巨大優(yōu)勢，但是在獲取衍生物的過程中往往需要大量的有機合成，降低了植物化學(xué)品本身成本可競爭的優(yōu)勢。以廉價的植物化學(xué)品為原料，開發(fā)更加綠色、簡單的衍生法制備具有實際應(yīng)用的植物化學(xué)品衍生物AIE材料可能成為具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域。

4)植物化學(xué)品基AIE納米材料研究方向：目前該方向的研究相對較少，主要集中在納米顆粒和碳點兩個領(lǐng)域。相較于植物化學(xué)品衍生物AIE材料，植物化學(xué)品基AIE納米材料的研究具有材料制備簡單的優(yōu)勢，可以廉價的植物化學(xué)品為原料，采用納米材料制備方法合成植物化學(xué)品基AIE納米材料,并深入研究其性能。雖然具備材料制備簡單的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)不可完全解析，因而影響了材料的設(shè)計和性能的優(yōu)化。因此該領(lǐng)域的研究應(yīng)更多關(guān)注在材料設(shè)計和性能優(yōu)化這兩個方面。

5)植物化學(xué)品基AIE材料具有綠色、生物相容性高等優(yōu)勢，已成功應(yīng)用在檢測、成像、OLED及生物治療這四大領(lǐng)域。目前植物化學(xué)品基AIE材料在成像和檢測領(lǐng)域的應(yīng)用居多，后期可多開發(fā)其在生物治療和OLED兩個領(lǐng)域的應(yīng)用。