中科院院士唐本忠走进香港科大实验室，揭秘中国原创“聚集诱导发光”

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“一年之后，世界发生了翻天覆地的变化，技术进步也在加速。与其担心，不如承担责任。”马云在2020年世界人工智能大会上说。

在这种流行病的情况下，对于那些愿意考虑未来的企业家来说，机会才刚刚开始。新技术将改变未来的商业世界。

HKUST emba中英双语课程以云课堂、实验室参观、专题报告和知识转移四个环节的系列形式开展了“走进HKUST实验室”系列活动，邀请一流的研究教授分享世界级的科研成果，感受科技的力量和巨大的商机。

“光”可以说是万物的生命之源，人类科技的进步也来源于对“光”的创新研究。唐本忠院士致力于探索聚集诱导发光的机理。2016年，《自然》杂志将aie列为支持未来纳米光革命的四大纳米材料之一，它是唯一一个最初由中国科学家创造的新材料系统。Aie分子材料在竞赛领域就像“全能运动员”，可应用于材料、医疗、病毒检测、食品质量监测等诸多领域。，并拥有巨大的潜在商机。

1.光学研究对人类有多重要？

“许多改变人类生活的技术来自对光的研究。在光和其他物质相互作用的研究中，主要的基础科学有了新的创新。(社论，第14卷，自然材料，2015)在许多关于光的研究中，发光分子在稀溶液中闪烁，这一直吸引着我的注意和喜爱。

早期的主要光学研究成果，如爱因斯坦1905年发表的《量子理论解释光电效应》，一直改变着人们的思维观念和机制，直到现代研究对光学的巨大影响，分别包括2008年和2014年的诺贝尔化学奖。“绿色荧光蛋白的发现和转化”和“超分辨率荧光显微技术的研究与发展”；在2014年诺贝尔物理学奖中，获奖项目是“高效蓝光发光二极管的发明”，所有这些都是发光材料和器件，是改变世界面貌的材料和技术。

有两种主要类型的研究聚焦光和其他物质之间的相互作用。一个是光物理学，其特征是以固态聚集，探索光和电之间的相互作用以及能量转换的过程。它已广泛应用于许多电器，如大屏幕电视、柔性显示器、节能照明等。，而且是普通人非常熟悉的。另一种是光生物学，其特征是聚集在水相中，用于了解生物结构和探索生命。它广泛应用于医疗，包括影像追踪、健康诊断和治疗、疾病预防和治疗等。

第二，聚集诱导发光的划时代突破

有机发光材料通常用于固相和水相。随着水的加入，分子开始聚集，发光逐渐减弱，直到完全消失。这种现象被称为acq(聚集导致猝灭)，意思是“聚集导致发光猝灭”。由于发光材料大多以聚集态使用，如制作有机发光二极管(oled)手机屏幕，发光材料以最高浓度的固体薄膜态使用。那么，如何减少acq效应的不利影响呢？大多数研究者采用的方向之一是抑制发光分子的聚集，但效果并不理想。

聚集诱导发光(AIE)是我们提出的一个概念，与传统的acq现象完全相反。随着水的加入，分子开始聚集，发光逐渐增加，直到发光；原理是具有aie特性的分子不同于与平面共轭的acq荧光分子。aie分子通常具有螺旋或扭曲的空结构，这限制了聚集状态下分子空(分子内运动的限制)的自由运动

第三，人工智能的多重优势

Aie具有许多优点，包括分子结构可以根据rim机制设计，发光颜色可以覆盖紫外即红外波段，聚集发光的量子效率可以调节。经过20年的发展，aie材料已经广泛应用于许多领域，如化学/生物传感、光电器件、癌症诊断和治疗、纳米药物传递等。

这项技术在中国是100%原创的，获得了2017年国家自然科学一等奖。我很幸运成为HKUST建国以来第一位获得这一荣誉的学者。目前，世界上有145个国家或地区，约有12000个研究机构或部门从事与人工智能相关的研究。

人工智能的突破性贡献在于它可以应用于不同的材料。在物质竞赛领域，可以说是一名“全能运动员”。应用层面涵盖:血管成像、细胞跟踪、液晶显示、智能材料、发光二极管、指纹检测、爆炸物检测、有机光波导细菌筛选、食品质量监测、化学传感器、细胞器图像、aie的出现，逐步突破国际荧光检测技术及相关产品。

第四，人工智能的技术和应用范围

aie材料的技术和应用主要分为三类:

(一)光电转换材料和器件的效率开发与应用

目前，中国在能源领域面临巨大需求，发展环保照明和各种显示工具是必然趋势。例如，基于Oled的显示和照明可以应用于许多流行的场景，如折叠显示和灵活照明。但是，代表性材料功能单一，全方位依赖进口，设备也全方位依赖进口。中国缺乏自主知识产权，如荧光和金属磷光材料系统。

1.环保照明和低成本3D成像

具有aie特性的Oled材料可以保证材料的高固态光致发光效率，提高具有特殊发光机理的材料的激子利用率，并且可以制造出低成本、低损耗、高器件表现力的成品。基于aie，可以开发出一系列具有自主知识产权的电致发光材料、器件和工艺设备，以满足能源需求。

至于应用于量子计算、自旋电子学、光通信、光安全和三维显示的“圆偏振光发射”技术，行业的痛点在于光学元件依赖进口，而aie支持的未掺杂cpl(圆偏振透镜)材料和器件是高效的偏振光材料，可以用肉眼多角度显示，是低成本的三维成像器件。

2.简化led分配

led的工序之一:点胶，除了目前的原材料基本依赖进口外，还存在着点胶分散性差、能量传递不充分、对环境污染严重等缺点。根据aie原理，可以产生具有反kasha规则的单分子白光，引入新的理论，充分利用光能级，有效降低器件制备成本，简化工艺。此外，aie是丰富的颜色，并与目前的分配过程相结合。

(二)高灵敏度、高特异性的智能传感材料和装置

新型冠状病毒已引起全球流行病，对环境保护监测、公共安全和健康领域的需求只会增加。市场需要各种类型、复杂和大量的测试材料和设备。中国原创智能传感材料和设备的研发也将有助于打破外国在这一领域的垄断。

1.钾缺乏的早期检测

以金属离子为例，目前常规的材料不能用视觉荧光来检测钾离子，但用aie作为材料用钾离子荧光来照射探针，有助于发现人体缺钾。人体发生缺钾时，会引起全身虚弱、疲劳、心跳减弱和头晕。早期发现，患者及时补充钾，支持心脏自由伸缩，调节心跳节律，维持健康运行。

2.含汞或银的污染物

另一方面，随着纳米银产品的激增，美白斑点等护肤产品经常被发现含有超标的汞或银，造成广泛的污染源。然而，由aie制成的汞离子荧光探针可以有效地发现有害污染物。食物的新鲜度是公众最关心的项目，尤其是活鱼和海鲜。我们可以很容易地找到鲑鱼的储存时间，通过应用aie材料监测胺挥发性气体，这使人们感到放心。

3.工业污染综合检测

工业产生的有毒气体或废水无色无味，长期以来危害人类健康，一直是社会关注的话题。然而，工业排放物检测行业有许多痛点，不仅检测时间长，而且每次都针对特定的物种条件，混合系统失效，便携式检测器很少。Aie技术可以解决上述难点，因为aie大多是单一反应类型，具有良好的选择性和高精度。例如，有机有毒气体的可视含量监测可应用于化工厂中挥发性有机化合物(voc)的含量测试，并可检测有机磷(如沙林气体)；它也可用于监测室内环境中甲醛的含量和检测挥发性有机化合物的含量。其他常见气体测试，包括高浓度二氧化碳气体监测，以及工厂排放等气体分析；水分含量的视觉监测可用于测试包装和纤维的水分含量。

4.压敏材料

此外，aie可用作压敏材料，并可用于飞机的风洞实验。风洞是一种产生人工气流的管道，专门用于研究气流中物体的气动效应，进行热阻和压缩阻力等实验。，并测量飞行物体和空空气之间相对运动的阻力，从而提高飞机的精确度和安全性。至于微压力敏感材料，其详细程度足以检测细胞运动。

最后，它被应用于有机底物，例如葡萄糖的选择性识别和监测、氨基酸的选择性识别和检测以及爆炸物的选择性识别。

(三)高分辨率、高对比度成像和示踪材料及装置

随着人口的老龄化，人们对健康的要求越来越高，在医疗卫生、生物、制药等领域有着巨大的需求。aie能够以可视化和动态监控的形式显示微观过程和治疗模式，并在精确医疗的基础上从整体上提高人们的生活质量。

1.线粒体成像和追踪

高精度的Aie可以对细胞中存在的线粒体进行成像和示踪检测。线粒体可以说是细胞中的能量工厂，是所有人类能量的来源。通过aie成像，线粒体的荧光颜色可以被调节，这可以区分生物体的自发荧光并获得高分辨率和对比度。该技术可应用于科研试剂、病理学研究和药物筛选。该实验包括比较正常和患者线粒体的形态，以确定其是否为原发性疾病；或者监控一个特定的过程，以确定该过程的核心步骤；至于药物，我们可以比较服用药物前后线粒体的变化，以帮助医生判断药物是否有效；医务人员可以检测特定细胞的活动，而不是从体内提取死亡细胞，直观、动态地成像，并做出最佳状态判断。

2.治疗癌症的新希望

以可怕的癌症为例。aie的精确医疗为癌症治疗带来了新的希望。第一是帮助医生区分癌细胞和线粒体，并早期筛查出癌症。我们还发现了一种人工智能材料，它可以精确地跟踪四处逃逸的癌细胞，在癌细胞中聚集并发光，但对正常细胞视而不见。这种能力有机会成为未来癌细胞早期诊断的新手段。在治疗过程中，aie可以长时间跟踪和发展肿瘤或癌细胞，并且还可以高灵敏度地检测、预测和控制甚至非常少量的化学物质。

在手术过程中，锯齿状的肿瘤边缘给医生的切除过程带来了严峻的考验，因为不完全切除会留下复发的隐患，例如切除过多会对患者造成不必要的伤害。因此，当aie材料用于细胞器成像时，只有一毫米的肿瘤可以通过荧光精确地呈现，医生只能精确地去除癌细胞。我们在大型动物上进行了将人工智能应用于外科荧光导航的初步实验，并取得了良好的效果。

3.细菌和病毒的快速检测

除了癌症之外，细菌、真菌和病毒的快速诊断和治疗都是医学界渴望的技术。目前，该行业的痛点是很难通过外观来识别细菌和病毒。例如，每一项测试都依赖于孵化，时间太慢，病毒传播，不等人，大规模爆发，后果不堪设想。例如，由aie制成的细菌阵列传感器芯片可以区分细菌和真菌的类型；然而，aie双通道精确定性和定量分析可以检测病毒，准确率为99%。我们进行的实验包括检测寨卡病毒。

4.检查毛细血管

血管闭塞是严重疾病的另一个原因。近/远红外aie点成像具有高亮度，可用于血管的超深度成像。通过无创快速逐层扫描和三维建模，可以显示窄至4.4微米的毛细血管情况和血流速度，医生可以了解血液的粘度，从而定位潜在的血栓，预防中风。

5.光声/光热联合诊断和治疗

尽管aie材料主要用于生物应用中，以充分利用荧光颜色或强度的变化，但对其分子设计稍加修改就能赋予aie材料多种功能。例如，在荧光导向化疗中，aie材料既可用作荧光示踪剂，也可用作癌细胞的治疗药物。在面向光声成像的光热治疗中，溶液中的aie材料有更多的分子内运动，使其激发态能量以热的形式释放出来，从而实现高效的光声成像和光热治疗。

6.100%中文原版

综上所述，上述三大类的应用，场景都与能源、空气、水、食品、医疗和健康等与人们生活密切相关的事物联系在一起。一方面，aie为现有技术提供了更好的材料体系，有效提高了成像质量；同时，AIE通过手术导航和定位实现精确切除，并将诊断和治疗结合起来。关键是专利权属于我们，这可以打破外国的垄断，因为世界上大多数商业生物荧光探针都是传统的acq材料，他们的知识产权被外国企业控制，这是昂贵的，远远低于aie材料的效率。中国原有的aie具有长期、稳定、低成本、包容性强的优势；我们期待着其成果的工业化，并为改善人民的医疗条件作出贡献。

我毕业于华南理工大学材料科学与工程学院，高等研究院也位于华南理工大学。我用黄埔军校的精神定位这个“黄埔实验室”。因为有一流的基础科学人才和应用技术专家，他们不以文章研究人的能力，而是着眼于应用型产品，开创一条真正有中国特色、为世界所认可的从原始创新到应用转化的新路。以aie材料科学研究为基石，继续拓展生物、医学和环境科学的应用，整合装备制造、智能分析和大数据云平台资源，引领中国从制造走向创新，有效满足人民生活和生产需求，为科技成果转化开辟最后一公里。

V.未来计划:技术登陆的三大方向

(一)高效光电转换材料和器件

目前，该行业面临的问题是设备负担得起，材料被外国垄断，价格高；计划从以下四个步骤进行开发和应用。

步骤1: oled材料筛选

筛选合适的aie材料体系，评价匹配材料的稳定性，明确专利归属和技术转移分布，包括发光材料、匹配空孔电子材料、阴极和阳极材料等。，从而尽可能避免商业专利的干扰。

步骤2:生产线性能评估和初步工艺参数的确定

采用工业器件结构，制备大尺寸的顶发射器件，可以获得生产线的性能分析，获得高重复性和稳定的数据参数。

步骤3:中试生产线参数和连续性能的评估

筛选用于批量合成和纯化的材料，并获得大规模生产线的工艺参数，这些参数可用作考虑商业操作(如融资)的基础。

第四步:孵化企业

与oled企业签订采购合同以替代进口产品。

(2)高灵敏度的智能传感材料和器件

行业面临的问题是核心测试材料的选择性，以及配套测试设备和耗材之间的脱节，这应该分三个阶段进行。

第一步:确定应用场景、材料选择和测量对象形式

调查和转让专利。情景包括:玻璃化转变温度的测定；食品中金属和有机物等农药残留含量的测定；环境中挥发性有机化合物(如甲醛)的监测；特定疾病的目标监测，如全血、血浆、组织切片等。

第二步:兼容的人工智能材料系统和检测手段及形式

建立全球aie材料和性能平台及专利数据库，筛选和验证材料体系，并确认其重复性和稳定性；气体/液体等常规光学检测方法的兼容性；折射率/光强/光色；自动/手动等。；光谱采集和算法优化的软硬件，包括图像识别、高光谱分析、云数据传输等。

步骤3:初步集成、原型稳定性测试和反馈

当技术成熟度和市场估值很重要时，可以进行孵化和融资等商业操作。

(三)高分辨率、高对比度成像和示踪材料及装置

目前，该行业面临的问题是生物发光探针领域，包括高附加值和关键材料的垄断。

步骤1:针对不同的生物应用场景筛选材料系统，以及筛选和转移专利

完善全球aie材料与性能平台和专利库的建立，筛选材料体系并进行验证；重点开发选择性细胞器示踪探针、双光子和远红外探针、纳米粒子及相关涂层技术。

第二步:生物探针的批量生产和稳定性控制、试剂包装、储存和运输等。

稳定批量制备有机荧光量子点，包括微流控技术、涡旋循环技术和挤出技术的设备开发。对于不同形式的产品，如固体、液体和悬浮液，控制其稳定性，并调整适当的储存条件、包装形式和冷链运输方案。

第三步:生物探针的市场培育和推广

现已成功销售给深圳爱一金有限公司和西格玛-奥尔德里奇公司。其中，艾一金生物技术是第一家获得HKUST专利授权的公司，在生产aie材料的基础上提供创新的生物成像解决方案，解决现有商业荧光材料面临的各种问题。

第四步:建立专用耗材的大型仪器开发分析平台

一方面，建立了超高多光子成像系统和光学平台，另一方面，建立了临床实验室技术改造中心。

(4)特殊试剂和设备的开发

由于某些行业的特殊性和独特的需求，通用试剂设备难以介入；Aie材料非常灵活，可应用于以下三个特殊行业:

1.高分辨率指纹采集材料及快速识别技术

固体指纹粉已经进入市场，其合作伙伴包括刑事侦查技术产品制造商广州瀛洲科技有限公司；其他类似产品包括:喷雾指纹泡沫和长波段指纹激发材料，可以避免紫外线灯激发，确保警察的安全；以及一个像傻瓜一样稳定的收集系统和一个云链接和快速识别系统。

2.冲洗和擦拭潜血识别材料和图像采集系统

产品包括可大面积喷洒的潜血识别泡沫，价格低廉，无毒，成像更具选择性，适合人类和动物来源；此外，我们还与中国政法大学证据中心合作开发了持续显示和高分辨率成像技术。

3.基于aie材料的药物传感器芯片和快速分析仪

用于检测酒后驾驶的工具非常流行，但是酒后驾驶的危害不亚于酒后驾驶，但是没有实时的药物检测代理，这给道路安全带来了危机。海洛因、吗啡、可待因等。可通过使用aie材料和选择性地将核酸适体与特定药物结合来检测。此外，阵列药物传感器芯片和数据采集系统的开发可以检测驾驶员是否从血液、呼吸或体液中服药。在粉碎毒品罪犯的现场，由aie材料开发的设备集成，以及相关的便携性和耗材开发，便于现场调查。

一般来说，“新材料”和“新设备”需要两条腿走路才能将人工智能材料从产品转化为实际应用。一方面，拓展aie原料、试剂等高附加值商品的销售领域和渠道，打破外国品牌在荧光探针领域的垄断地位；同时，我们将在现有设备的基础上，开发可替代国外产品的检测耗材和试剂盒，走出长期控制国外检测领域耗材的困境，改变“以药养药”的策略，争取未来竞争的主动权。

在新设备方面，以aie研究和应用所需的设备为重点，整合材料制备、采集数字化、检测分析、设备集成等领域的资源，系统开发具有实际应用功能的aie专用设备，替代目前市场上的国外品牌，通过自主培养、建立联合实验室等策略，加快现有检测设备升级的产业化。

aie产业化有三种合作模式:一是建立联合实验室计划，适合有长期投资计划并愿意分享成果的投资者；二是股份公司模式，建立合作关系，项目清晰，股权分配清晰；第三，支持特定的aie项目，以产出为明确目标。

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