港科大唐本忠院士、深圳大学王东/张志军JACS｜多则优也：双受体工程构筑高效的近红外二区多模态AIEgens

自然界是一个复杂而有序的多层次系统，其中每个组成部分都发挥着各自独特的功能。即，当许多独立的组分组装或集合成聚集体时，可以产生超越独立组件的性能输出，并同时执行多重任务。早在古希腊时期，伟大的哲学家亚里士多德就曾提出整体论的观点：“整体大于部分之和”。这种启发性的认识论与我们当今所熟知的“量变引起质变”和“多则异也”的哲学观点相吻合。事实上，材料科学（尤其是发光材料）领域在这种研究哲学的启迪下已经取得诸多突破性进展。

聚集诱导发光（AIE）现象是整体论的典型代表之一，AIE类分子在单分散态时发光微弱甚至不发光，而在聚集态高效发光。换言之，AIE效应表明聚集体的性能并非其构筑基元性质的简单线性加和。此外，最近的研究表明，AIE分子在聚集状态下能够实现激发态激子的多通道分布，从而赋予基于单种AIE分子的聚集体多重性能，便于实现优异的one-for-all型多模态光学诊疗。

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！基于此，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。

图1. (a) 1A和2A体系分子构筑策略。(b, c) 纳米制备和多模态光学诊疗应用。

首先，作者构建了四对分别具有D¢−D−A−D−D¢（1A体系）和D¢−D−A−A−D−D¢（2A体系）结构类型的小分子（图1）。为了直观对比单受体和双受体设计对D−A−D类型发光材料在分子层次以及聚集态的性能差异，这些分子被设计成具有相同的电子给体，而其相应的受体部分的吸电子效应有序增强（图2a, e）。实验结果表明，随着受体基元拉电子能力和平面性的增大，1A和2A体系分子的吸收和发射波长均逐渐红移（图2b, c, f, g）。不同的是，1A体系呈现出较弱的AIE效应到聚集淬灭发光（ACQ）的现象（图2d），而2A体系却展现出ACQ到AIE性质的转变（图2h）。并且，具有最高亲电性双受体基元的荧光分子（2TT-2BBTD）不仅拥有近红外二区的发射波长，还展现出最佳的AIE效应（图2g, h）。更为突出的是，相比于1A体系，2A体系分子的摩尔消光系数都实现了显著的提升（图2b, f），这对提升激发态分子的能量输入十分有利，从而为更高效的多模态光学诊疗奠定了基础。

图2. 1A和2A体系的分子结构和光物理性质表征。

进一步的实验测试和理论分析表明，高缺电性受体之间的空间位阻效应促使双受体基元具备高度扭曲的构象，从而赋予2A体系ACQ到AIE效应的转变和AIE性能的提升（图3）。而且，该双受体基元（BBTD-BBTD）在聚集态下仍能具有较大的二面角（图3n），因此能够显著削弱聚集状态下分子间的π-π堆积来提高发光效率。此外，相对于平面结构的1A分子（2TT-BBTD），扭曲的双受体基元还可以促成较为疏松的分子聚集体来增强分子内运动能力，从而有利于光热转化性能的提升。

图3. 系统的理论计算分析。

基于以上突出优势，由2TT-2BBTD分子组成的纳米聚集体在808 nm激光照射下同时展现出长的近红外二区荧光发射、高的发光效率、良好的活性氧生成能力、高光热转化效率以及优异的光热稳定性（图4）。此外，相对于具有平面结构的单受体分子设计，扭曲的双受体策略能够实现活性氧和光热生成能力的提升（图4c, h）。

图4. 所构建纳米诊疗体系的光物理化学性质测试。

得益于优异的近红外二区荧光发射和高聚集态发光效率，2TT-2BBTD纳米聚集体在小鼠活体中实现了高信噪比的全身血管成像效果，为开发临床血管造影剂提供了可能性（图5）。

图5. 体内高信噪比近红外二区小鼠全身血管造影。

此外，高生物相容性的2TT-2BBTD纳米聚集体在近红外二区荧光-光声-光热三模态成像指导的光动力-光热协同治疗中表现优异。其在小鼠原位乳腺癌治疗中，只需一次注射和单次激光照射，就可实现肿瘤的完全消除（图6）。

图6. 体内优异的多模态成像指导的协同光疗结果。

总结

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。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是香港科技大学博士后杨世平（博士毕业于四川大学，导师为游劲松副校长）和香港科技大学博士后张鉴予（博士毕业于香港科技大学，导师为唐本忠院士）。

论文信息：

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