唐本忠教授现任香港中文大学（深圳）理工学院院长，校长讲座教授，陆续当选为中国科学院院士、发展中国家科学院院士、亚太材料科学院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会会士、英国皇家化学会会士等。唐院士课题组2001年发现六苯基噻咯（HPS）分子在低浓度状态不发光，而在高浓度聚集状态发射荧光的奇特现象，并将其命名为聚集诱导发光效应（AIE）。和传统的聚集导致的荧光淬灭（ACQ）分子相比，AIE分子为实现可视化原位实时体内监测提供了手段，提出了世界公认的聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）原创理论。截止目前，已发表科学论文1600余篇，他引十一万余次，h指数152，获得多次国家级奖励。自AIE发现以来, 现有国内外80余个国家1600个研究团队的关注和跟进此工作，且两次入选汤姆森路透评选全球热点前沿研究领域，并在2015年科学研究前沿中位列化学与材料学的第二位。2016年，AIE纳米粒子被Nature列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，是目前唯一由中国科学家原创的新材料。
唐本忠院士团队
我们持续关注并回顾了2023年唐本忠院士团队的研究成果，供大家学习和交流。去年，唐本忠研究团队在Nature Materials、Nature Reviews Chemsitry、Nature Communications、Angew、JACS、Advanced Materials、Advanced Functional Materials 、ACS Nano等国际顶级期刊期刊上发表论文超过80篇。我们精选了其中的热点文章，内容如下。
Nat. Mater.：原子精确的“超”稳定纳米机器
金纳米团簇（Au NCs）由于其原子精确的空间结构和小尺寸（通常为1-3纳米）等特性，成为一种新型的光热纳米材料。同时，Au NCs作为生物相容材料，可通过肝脏和肾脏排泄从小鼠体内清除，适用于抗癌药物的体内输送。然而，这些小尺寸纳米颗粒在光热剂应用中热稳定性差，其主要原因是由于卡皮查热阻效应，即纳米颗粒-溶剂界面的热传导率较低，使得光激发下纳米颗粒内部产生的热能难以及时耗散到溶液中，导致材料过热并发生结构降解。
为了克服这一挑战性问题，上海交通大学化学化工学院樊春海院士/沈建磊副教授团队，联合香港中文大学（深圳）唐本忠院士、上海大学诸颖教授共同研发了一种原子精确的纳米机器合成策略，通过分子界面工程技术成功克服了纳米界面热传导的卡皮查热阻（Kapitza resistance）效应，构建了超稳定的光热纳米机器。研究团队通过纳米界面分子工程技术调控Au NCs纳米颗粒的界面热传导率。通过将螺旋桨状、可自由旋转的分子转子TPE配体锚定到Au NCs的表面，设计了一种具有原子精度的光热金纳米机器。在构建的纳米机器结构中，金核吸收光子，激活自由电子，电子-声子耦合促进界面热传输；而界面的TPE配体通过主动耗散将金核产生的热量耗散到溶液中。通过这一策略，成功构建了超稳定的光热纳米机器，并将其成功应用于肿瘤光热治疗。这一概念验证实验表明，这种可持续工作的光热纳米机器有望应用于纳米制造、散热、能量转换和肿瘤光热疗法等更广泛的领域。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01721-y
Nat. Rev. Chem.评述：如何像脂质体一样高效地内吞
细胞膜通常由脂质双分子层组成。其中，细胞膜是一个屏障，它使细胞的分子保持在它们应有的位置，保护细胞的内容物不受外部影响。并且，双层结构同样可以运输物质进出细胞。胞吞作用是外部物质与细胞膜相互作用并最终进入细胞的过程。进入细胞的物质在脱落并被细胞吞噬之前被一小部分膜包围。生物分子凝聚物，也被称为“无膜细胞器”，是最近在细胞中发现的液滴，它们与细胞膜相互作用，作为许多生物过程的一部分，如细胞信号传导和自噬。然而，这些相互作用的确切机制以及引起内吞作用的原因尚不清楚。
基于此，荷兰内梅亨大学分子与材料研究所Evan Spruijt教授近期在国际权威杂志《JACS》发表了题为《Endocytosis of Coacervates into Liposomes》的研究论文。该工作研究了作为模型系统的复杂凝聚体和脂质体之间的相互作用如何导致润湿、膜变形和内吞作用。香港中文大学深圳研究院唐本忠院士和香港科技大学刘建辉博士等人受邀对此工作发表题为《How to drink like a liposome》的评述文章，认为该研究为进一步探索开辟了几个有前景的方向。首先，研究活细胞的细胞膜代替人工脂质体将允许比较自然系统进一步的生物学意义。此外，这项研究可能有助于开发液滴，作为将药物运输到细胞内的载体。可以将多种分子装入试管中的液滴中并从液滴中释放，类似的研究可能为递送到细胞中铺平道路。接下来，这项研究可能有助于人工原细胞的发展，因为这种类似生命的吞噬行为可能为“合成生命”宏伟目标的一部分，向仿生过程迈出了有用的一步。最后，通过改造脂质体来包裹其他脂质体可能成为可能。在完全湿润的情况下，脂质体被包裹在液滴中，可以通过吞噬过程递送到其他脂质体中。总之，这项研究是提高我们对细胞内吞过程理解的令人兴奋的一步，并可能有助于开发药物递送、人工细胞和脂质体工程技术。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41570-022-00452-z
Nat. Rev. Chem.评述：信息学 “着色”聚合物
信息学方法在加速现代材料科学的进步方面发挥着越来越重要的作用。最近的一项研究（Chem，10.1016/j.chempr.2022.12.003）报告了基于预测机器学习模型，指导具有全彩可调发射的通过空间电荷转移聚合物的从头设计。
为此，香港中文大学深圳研究院唐本忠院士、南开大学朱春雷研究员和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Xiaolin Liu等人受邀对此工作发表评述文章，认为该研究凸显了信息学工具在预测功能材料方面的巨大优势。作者相信，展望未来，随着更强的计算能力、更开放的数据共享平台和更智能的算法的出现，信息学驱动的方法有望彻底改变材料发现。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41570-023-00484-z
Matter：机器学习辅助AIEgen进行人工智能化，可用于治疗监测真菌感染伤口
为了缓解医疗压力，科学家们开发了一系列基于电化学传感器的智能伤口监测设备，以帮助患者在家中监测伤口。然而，大多数报道的伤口敷料均是基于细菌感染反应，但迄今为止仍没有合适的伤口敷料用于真菌感染的监测和治疗。因此，开发用于真菌监测和治疗的智能伤口敷料具有重大的意义。
因此，香港中文大学唐本忠教授和赵征助理教授等人首次开发了一种基于AIEgen的智能伤口敷料系统，用于真菌感染的伤口监测和按需光动力治疗。智能系统包含掺有AIEgen的液体敷料和用于智能手机的图像识别系统。基于这一智能系统，研究展示了一种独特的基于AIEgen的智能薄膜传感器和高效的手机可控光动力疗法。这一发现为新一代家庭医疗设备、新型智能治疗模型和微生物感染疾病治疗奠定了基础。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238523003168
Nat. Commun.：具有全光谱荧光发射的非共轭聚酯
对于非共轭发光材料而言，聚酯是一个理想的研究对象，它的用途广泛，可用作纤维、塑料、包装材料和医用卫生材料等。浙江大学张兴宏教授联合唐本忠院士和张浩可研究员，受有机胺引发共聚合过程中显色效应的启发，开发了一系列高效可控、全谱发射(蓝光到近红外)的胺封端的非共轭聚酯。该工作证明了有机胺作为引发剂进攻环氧单体形成聚合物端基，并与主链的酯基形成了各种胺酯络合物，从而诱导出红色至近红外的发光。该工作为开发高效多色发射的新型发光材料提供了一个低成本和规模化的合成平台。
文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44505-3
Nat. Commun.：多功能可视化成像引导的光触发自加速癌症联合免疫治疗
香港中文大学（深圳）唐本忠院士、南开大学齐迹教授和中国医学科学院生物医学工程研究所李稳研究员合作，报道了一种用于多功能成像引导光触发自加速癌症联合免疫治疗的策略。作者设计并合成了含有不同取代基的近红外聚集诱导发光分子（AIEgen）。通过性能的研究对比，发现引入甲氧基能够增强光吸收能力从而提高荧光和PA的亮度。另外，甲氧基取代基还可以通过增强系间穿越（ISC）过程来提高I型和II型光动力产生ROS的能力，克服光敏剂在乏氧条件下效率降低的问题。作者将高性能AIEgen与基于紫杉醇（PTX）的乏氧响应前药结合制备成纳米微粒，并进一步包裹M1巨噬细胞膜，得到了一种肿瘤靶向的诊疗试剂，在肿瘤深层部位也表现出很好的积聚。通过高灵敏度的体内荧光成像和高空间分辨率的PA成像，可以精确地描绘肿瘤位置，为肿瘤治疗提供准确指导。光引发产生ROS能够诱导肿瘤ICD，同时光动力治疗（PDT）过程可以消耗局部氧气，形成更严重缺氧的肿瘤微环境，加速PTX前药的释放，实现“1+1>2”的抗肿瘤免疫效果。PDT和PTX前药的自加速免疫治疗不仅能引发强烈的抗肿瘤免疫效应抑制原发性肿瘤，还能抑制远端肿瘤的生长。该工作通过将高性能光敏剂和乏氧响应前药相结合，构建了一种光引发自加速的纳米诊疗系统，实现多功能成像引导的精准联合免疫治疗。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40996-2
Nat. Commun.：新突破！新型高折射率、高透明全有机聚合物光学材料
大多数高折射率聚合物含有π-共轭结构，因此这类材料的溶解度较差，在可见区的低光学透射率也较差，以及需要苛刻的制备程序，这大大限制了它们的光学应用。因此，在温和条件下开发具有优良光学性能的高折射率聚合物仍然是一个挑战。
唐本忠院士/秦安军教授团队等人开发了有机碱催化聚合溴代烃和二硫酚的方法，制备了新型含硫的全有机高折射率聚合物。其在589纳米处的折射率高达1.8433，在视觉和RI区域甚至在100微米范围内都有很好的光学透明度，并且有很高的重量平均分子量（高达44500），产量高达92%。这些优点赋予了这些聚合物在光波导应用中的低光学损耗。此外，含四苯基乙烯（TPE）的聚合物显示出独特的聚集诱导发射（AIE）特征，使其能够被用来用肉眼观察光波导的均匀性和连续性。
文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39125-w
Nat. Commun.：聚水为材——以水为原料构筑高效簇发光材料
水占据地球71%的表面，是生命的起源。自然界无时无刻都在用水做原料合成各种复杂的化合物。基于水的化学物通常具有非芳香性和非共轭的结构，其光学性能很少被注意到。近年来，许多课题组发现一些非芳香性和非共轭的小分子和聚合物可以发出明亮的可见光，这种非传统的发光现象被定义为“簇发光 (clusteroluminescence)”。目前，很多簇发光还局限在蓝光区域，发光效率不高，并且不明确的构效关系导致机理研究和性能调控还是很大的挑战。
唐本忠院士团队发展了水和活化炔的反应，在温和条件下得到两种非芳香性同分异构体的化合物。通过光物理测试，作者发现两种化合物表现出不同的簇发光特性。作者通过理论计算和晶体结构分析，详细讨论了分子内n-n空间相互作用和分子间n-π空间相互作用以及氢键的影响。随后，作者采用重氧水和重水作为反应原料，得到了重氧和氘取代的四种化合物，首次研究了同位素效应对簇发光的影响。由此，作者发展了一种直接用水制备簇发光材料的新方法，建立了清晰的从小分子到聚合物簇发光的构效关系，并原位制备得到Janus膜用于蒸汽响应的驱动器。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38769-y
Nat. Commun.：AIE和COF的联合！铁死亡/焦亡双重诱导剂焦亡和铁死亡的双重诱导
传统的纳米共价有机框架（COFs）基光敏剂（PS）具有强烈的聚集淬灭（ACQ）效应，这导致材料的的发光以及产生活性氧（ROS）的能力大大较弱，最终无法引发焦亡或铁死亡。有鉴于此，武汉大学孙志军教授/邓鹤翔教授和香港科技大学唐本忠教授/林荣业副教授等人通过将平面和扭曲结构的聚集诱导发射发光分子（AIEgens）整合到COF骨架中，合理设计了一种基于非金属共价有机框架（COF）的焦亡和铁死亡双重诱导剂（AIE COFs），以引发强烈的炎症反应并增强抗肿瘤免疫。机理研究表明，COF-919表现出更强的近红外光吸收、更低的波段能量和更长的寿命，有利于活性氧（ROS）的产生和光热转换，从而引发焦亡。由于其良好的ROS产生能力，它也可上调细胞内脂质过氧化，导致谷胱甘肽耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶4的低表达和诱导铁死亡。最终，COF-919诱导的焦亡和铁死亡了有效抑制肿瘤转移和复发，实现了超过90%的肿瘤生长抑制和超过80%的治愈率。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41121-z
Nat. Commun.：基于主客体掺杂体系的余辉发光！
在Anti-Kasha准则中，凝聚相中的光物理和光化学过程可以在给定复合度的更高激发态下进行。受益于Anti-Kasha准则，香港中文大学唐本忠教授、深圳大学李冰石教授/Guangxi Huang和哈尔滨工业大学何自开副教授等人提出了一种在主客体系统中实现激发波长相关（Ex-De）余辉的有效策略。该材料主体在365 nm处激发时具有几乎无法察觉RTP，同时客体也是完全RTP非活性的，但掺杂后的主客体系统却表现出Ex-De余辉。从主体的较高激发的三重态T2到聚集/单分子客体的最低激发单重态S1实现了Anti-Kasha三重态ET过程。掺杂体系中的ET效率可以通过引导主体和客体采用更密集或更松散的分子间堆积进行调节。Anti-Kasha三重态ET的策略赋予主客体掺杂系统多种刺激响应特性，包括Ex-De余辉、机械和热触发的余辉行为。这些特性的相应应用在多信息防伪和显示中得以实现。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43687-0
Nat. Commun.：调节含杂环化合物的邻近效应
邻近效应会在能级接近的（n，π*）和（π，π*）态发生。然而，至今为止还没有系统的研究来揭示和操纵邻近效应对发光特性的影响。有鉴于此，香港科技大学唐本忠教授和浙江大学张浩可研究员等人报道了一系列具有不同给电子基团的甲基喹喔啉衍生物，它们表现出不同的光物理性质和聚集诱导的发射行为。实验结果和理论计算揭示了这些衍生物在密切相关的（n，π*）和（π，π*）态之间存在渐变的能级和与众不同的耦合效应。此外，由于含杂环化合物的固有性质，它们可被用于传感器和信息加密，并且对酸/碱刺激展现出动态响应行为。这项工作揭示了邻近效应在杂环聚集诱导发射系统中的积极和消极影响，并为开发具有聚集诱导发射特性的功能性和响应性发光材料提供了前景。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39479-1
Nat. Commun.：可控局域电场加速CuxO纳米颗粒界面多电子还原
调节活性位点局部微环境中的电子传输速率和离子浓度可以克服CO2电还原中的缓慢动力学和不利的热力学。然而，尽管如此，对动力学和热力学的同时优化还受到机制理解不足等障碍的挑战。
在此，香港城市大学Ruquan Ye、香港科技大学唐本忠院士、莱斯大学Boris I. Yakobson、新加坡A*STAR研究所Shibo Xi和华东理工大学朱明辉教授等人利用激光辅助制造来合成具有可控尖端角和丰富纳米颗粒的CuxO双锥，并阐明电子传输/离子浓度与电催化性能之间的关系机制。原位傅立叶变换红外光谱法和差示电化学质谱法揭示了关键*CO/*OCCOH中间体的动态演变和产物分布，而辅以理论计算，作者还阐明了Cu+/Cu2+界面处改善耦合的热力学原因。通过调节电子传输和离子浓度，在通过CO2RR产生C2+产品的过程中，作者在~900 mA cm−2时实现了81%的高法拉第效率。而在硝酸盐还原反应（NITRR）也观察到类似的增强，每毫克催化剂的氨产率可达81.83 毫克 h−1。CO2RR和NITRR系统的耦合证明了烟气和硝酸盐废物的增值潜力，这为碳氮循环提供了一种实用的方法。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43303-1
JACS：为AIE分子插上翅膀，用于细菌生物膜的“发光发热”
光热疗法（PTT）具有无创性、可控性、广谱杀菌能力和令人满意的抗菌效率等优点，为治疗传染病开辟了新的可能性。光热剂（PTAs）通过将吸收的光能转化为热，产生的热能够解离生物膜的顽固结构，从而促进抗菌剂的渗透。此外，PTAs诱导的局部高温效应会破坏细菌膜的完整性，扰乱生物大分子的生理功能，从而导致细菌死亡。更为重要的是，PTT不依赖于PTAs的细胞内化，从而降低了引起耐药性的可能性。因此，可以将PTT应用于细菌生物膜相关感染。
在此，深圳大学唐本忠院士、王东教授研究团队、浙江大学金桥副教授合作利用多个三苯胺（TPA）或四苯乙烯（TPE）转子的强烈分子内运动，设计了具有平衡非辐射跃迁（用于传导PTT）和辐射衰减（在NIR-II光学窗口中提供荧光）的蝶形聚集诱导发射发光体（AIEgens），用于细菌生物膜的成像及光热消除。为了追求良好的水分散性和生物膜粘附能力，将预合成的AIEgens包封到阳离子脂质体中，形成的AIEgens纳米颗粒在808 nm激光照射下，可以根除由革兰氏阳性菌（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和粪肠球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）形成的广谱生物膜。体内实验有力地证明， NIR-II AIE脂质体在铜绿假单胞菌生物膜诱导的角膜炎小鼠模型和MSRA生物膜诱导皮肤感染小鼠模型中都具有优异的生物相容性。
文献链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.3c09058
JACS：多则优也：双受体工程构筑高效的近红外二区多模态AIEgens
调控电子给体/受体（D/A）对于提升D-A型发光材料的性能展现出不竭的动力。得益于电子给体的多样性和易修饰性，基于给体的调控已成为构建D-A型（尤其是D-A-D结构）荧光分子的主导设计策略。通常，D-A-D结构分子的最高占据分子轨道（HOMO）分布于整个共轭骨架，而最低未占分子轨道（LUMO）几乎定域在受体基元部分。因此，相对于电子给体的设计，电子受体的调控对D-A-D结构荧光分子的性能具有更加显著的影响。然而，受制于新受体开发的挑战性以及当前具有强吸电子能力受体的数目十分有限，利用受体工程构筑高性能有机荧光分子的研究一直停滞不前！
启发于“多则异也”的哲学思想和AIE技术在多模态光学诊疗体系构建中的突出优势，香港科技大学唐本忠院士、深圳大学王东教授/张志军特聘研究员等人提出利用扭曲的双受体构筑近红外二区AIEgens的设计策略，并系统阐明了该策略在提升多模态光学诊疗性能方面的内在因素。不同于通过扭曲给体、扭曲给体-π桥或扭曲受体-π桥来构筑AIEgens的常用策略，这项工作首次表明扭曲受体-受体的设计可以作为构筑AIEgens的新方向。总的来说，通过利用扭曲的双受体策略，不仅分子的AIE效应和摩尔消光系数得到显著提升，还可以实现其荧光量子效率、活性氧生成和光热转换能力的同时增强。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c08627
JACS：C-H活化/环化聚合在荧光聚电解质合成中的应用
主链带电型聚电解质（Main-chain charged polyelectrolytes, MCCPs）不仅可以延续传统共轭聚电解质的优异性质，而且能够利用带电基团的强推/拉电子能力，直接、便捷地调控共轭聚电解质的电子性质，为荧光功能聚电解质的理化性质调控提供了极大的便利。遗憾地是，由于缺乏便捷高效的合成策略，目前此类主链带有电荷的共轭聚电解质仍鲜有报道。
唐本忠院士团队深圳大学AIE研究中心韩婷特聘研究员等人发展了一种操作简单、原子和步骤经济性高、反应高效的C-H活化/环化聚合策略，该聚合方法可以将廉价易得的苯基咪唑鎓和内二炔单体直接转化为含有多取代阳离子稠杂环结构的新型多功能荧光MCCPs（图1）；此外，作者详细探究了此类聚电解质在高分辨率多色荧光光刻图案和多色荧光界面聚电解质络合（interfacial polyelectrolyte complexation，IPC）纤维中的应用潜力。
文献链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.2c12654
Angew：揭示空间共轭长度对其强度的影响
与传统基于价键共轭（Through-bond conjugation, TBC）的稠环类发光材料不同，空间共轭被揭示为这类材料的发光机制。在TSC机理探究领域，以非共轭的多芳基烷烃为模型，并把这一类基于空间共轭作用的发光材料称为弱作用基有机发光材料。在价键共轭体系中，延长价键共轭长度可以实现对材料光物理性质的调控。然而，空间共轭结构长度对其弱作用基发光的影响仍是领域内的一个亟待解决的难题。
浙江大学张浩可/唐本忠等人探究了寡聚二苯甲烷的长度对其发光性能的影响，揭示了空间共轭结构（Through-space conjugation, TSC）长度与发射强度/波长之间的非线性关系以及构象对TSC的决定性作用。该工作重点研究了空间共轭结构的长度如何影响弱作用基发光的性能，揭示了影响弱作用基发光强度/波长的主要因素是空间共轭结构的构象而非长度，同时证明了寡聚二苯甲烷的可见光发射主要源于分子内部更刚性的二苯基甲烷单元（inner DPM）而不是较为柔性的外端DPM。同时，此研究为设计高效和波长可控的弱作用基发光材料提供了全新的研究思路。
文献链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202318245
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来源：BioMed科技
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