港科大唐本忠院士、深圳大學王東/張志軍JACS｜多則優也：雙受體工程構筑高效的近紅外二區多模態AIEgens

自然界是一個復雜而有序的多層次系統，其中每個組成部分都發揮著各自獨特的功能。即，當許多獨立的組分組裝或集合成聚集體時，可以產生超越獨立組件的性能輸出，并同時執行多重任務。早在古希臘時期，偉大的哲學家亞里士多德就曾提出整體論的觀點：“整體大于部分之和”。這種啟發性的認識論與我們當今所熟知的“量變引起質變”和“多則異也”的哲學觀點相吻合。事實上，材料科學（尤其是發光材料）領域在這種研究哲學的啟迪下已經取得諸多突破性進展。

聚集誘導發光（AIE）現象是整體論的典型代表之一，AIE類分子在單分散態時發光微弱甚至不發光，而在聚集態高效發光。換言之，AIE效應表明聚集體的性能并非其構筑基元性質的簡單線性加和。此外，最近的研究表明，AIE分子在聚集狀態下能夠實現激發態激子的多通道分布，從而賦予基于單種AIE分子的聚集體多重性能，便于實現優異的one-for-all型多模態光學診療。

調控電子給體/受體（D/A）對于提升D-A型發光材料的性能展現出不竭的動力。得益于電子給體的多樣性和易修飾性，基于給體的調控已成為構建D-A型（尤其是D-A-D結構）熒光分子的主導設計策略。通常，D-A-D結構分子的最高占據分子軌道（HOMO）分布于整個共軛骨架，而最低未占分子軌道（LUMO）幾乎定域在受體基元部分。因此，相對于電子給體的設計，電子受體的調控對D-A-D結構熒光分子的性能具有更加顯著的影響。然而，受制于新受體開發的挑戰性以及當前具有強吸電子能力受體的數目十分有限，利用受體工程構筑高性能有機熒光分子的研究一直停滯不前！基于此，啟發于“多則異也”的哲學思想和AIE技術在多模態光學診療體系構建中的突出優勢，香港科技大學唐本忠院士、深圳大學王東教授/張志軍特聘研究員等提出利用扭曲的雙受體構筑近紅外二區AIEgens的設計策略，并系統闡明了該策略在提升多模態光學診療性能方面的內在因素。

圖1. (a) 1A和2A體系分子構筑策略。(b, c) 納米制備和多模態光學診療應用。

首先，作者構建了四對分別具有D￠?D?A?D?D￠（1A體系）和D￠?D?A?A?D?D￠（2A體系）結構類型的小分子（圖1）。為了直觀對比單受體和雙受體設計對D?A?D類型發光材料在分子層次以及聚集態的性能差異，這些分子被設計成具有相同的電子給體，而其相應的受體部分的吸電子效應有序增強（圖2a, e）。實驗結果表明，隨著受體基元拉電子能力和平面性的增大，1A和2A體系分子的吸收和發射波長均逐漸紅移（圖2b, c, f, g）。不同的是，1A體系呈現出較弱的AIE效應到聚集淬滅發光（ACQ）的現象（圖2d），而2A體系卻展現出ACQ到AIE性質的轉變（圖2h）。并且，具有最高親電性雙受體基元的熒光分子（2TT-2BBTD）不僅擁有近紅外二區的發射波長，還展現出最佳的AIE效應（圖2g, h）。更為突出的是，相比于1A體系，2A體系分子的摩爾消光系數都實現了顯著的提升（圖2b, f），這對提升激發態分子的能量輸入十分有利，從而為更高效的多模態光學診療奠定了基礎。

圖2. 1A和2A體系的分子結構和光物理性質表征。

進一步的實驗測試和理論分析表明，高缺電性受體之間的空間位阻效應促使雙受體基元具備高度扭曲的構象，從而賦予2A體系ACQ到AIE效應的轉變和AIE性能的提升（圖3）。而且，該雙受體基元（BBTD-BBTD）在聚集態下仍能具有較大的二面角（圖3n），因此能夠顯著削弱聚集狀態下分子間的π-π堆積來提高發光效率。此外，相對于平面結構的1A分子（2TT-BBTD），扭曲的雙受體基元還可以促成較為疏松的分子聚集體來增強分子內運動能力，從而有利于光熱轉化性能的提升。

圖3. 系統的理論計算分析。

基于以上突出優勢，由2TT-2BBTD分子組成的納米聚集體在808 nm激光照射下同時展現出長的近紅外二區熒光發射、高的發光效率、良好的活性氧生成能力、高光熱轉化效率以及優異的光熱穩定性（圖4）。此外，相對于具有平面結構的單受體分子設計，扭曲的雙受體策略能夠實現活性氧和光熱生成能力的提升（圖4c, h）。

圖4. 所構建納米診療體系的光物理化學性質測試。

得益于優異的近紅外二區熒光發射和高聚集態發光效率，2TT-2BBTD納米聚集體在小鼠活體中實現了高信噪比的全身血管成像效果，為開發臨床血管造影劑提供了可能性（圖5）。

圖5. 體內高信噪比近紅外二區小鼠全身血管造影。

此外，高生物相容性的2TT-2BBTD納米聚集體在近紅外二區熒光-光聲-光熱三模態成像指導的光動力-光熱協同治療中表現優異。其在小鼠原位乳腺癌治療中，只需一次注射和單次激光照射，就可實現腫瘤的完全消除（圖6）。

圖6. 體內優異的多模態成像指導的協同光療結果。

總結

不同于通過扭曲給體、扭曲給體-π橋或扭曲受體-π橋來構筑AIEgens的常用策略，這項工作首次表明扭曲受體-受體的設計可以作為構筑AIEgens的新方向。總的來說，通過利用扭曲的雙受體策略，不僅分子的AIE效應和摩爾消光系數得到顯著提升，還可以實現其熒光量子效率、活性氧生成和光熱轉換能力的同時增強。

這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是香港科技大學博士后楊世平（博士畢業于四川大學，導師為游勁松副校長）和香港科技大學博士后張鑒予（博士畢業于香港科技大學，導師為唐本忠院士）。

論文信息：

https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c08627

More Is Better: Dual-Acceptor Engineering for Constructing Second Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Luminogens to Boost Multimodal Phototheranostics

Shiping Yang, Jianyu Zhang, Zhijun Zhang, Rongyuan Zhang, Xinwen Ou, Weilin Xu, Miaomiao Kang, Xue Li, Dingyuan Yan, Ryan T. K. Kwok, Jianwei Sun, Jacky W. Y. Lam, Dong Wang, and Ben Zhong Tang

10. Am. Chem. Soc. 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c08627