颠覆性新方法：助力生物细胞内部探索和新型LED生产领域

材料牛注：一直被我们奉为圭臬的化学定律竟然是不全面的？这是多么惊人的发现。科学家发现了一种新的产生光的方法就颠覆了Kasha's Rule，这种新方法还有可能帮助我们了解细胞内的液体粘度和制造新的LED灯泡，多么神奇，让我们先看看吧。

近期，佛蒙特大学（UVM）和达特茅斯学院的科学家团队发现，一些分子可以通过一种新奇的方法发射出强烈、明亮的绿色冷光。

佛蒙特大学共同领导这项新研究的化学家Matthew Liptak表示：“这种光是用一种新的方法产生，用这种方法甚至可以感知一个细胞内的粘性。”这种新奇的光可能会有许多有前途的应用，包括新型LED灯泡和医学染料技术。”这一发现于9月26日发表在Nature Chemistry杂志上。

新视野

为了了解这种新奇的光是如何产生的，科学家使用了枫糖浆进行实验。这是一种粘稠的液体。在化学家Ivan Aprahamian领导下，达特茅斯的科学家探索了一些称为分子转子的奇特分子，这些分子外形如同独木舟的叶片绕轴转动（这是比头发还细几千倍一个很小的轴）。在一个稀薄的液体（比如说水）中，这些旋转分子团——一种含硼的的染料，会发出微弱的红色荧光。

然而，当科学家们把旋转分子投放到越来越浓稠的类枫浆状溶剂（比如说甘油和乙二醇的混合物）中时，从这些分子转子中发出的荧光并没有变弱，和预期的情况不一样。相反，这些分子发出了光谱中接近蓝色末端的鲜亮的绿光。

计算化学专家Liptak表示，这非常令人惊讶。因此，达特茅斯的研究团队转向Liptak和他的学生们，以寻求原因。佛蒙特大学研究团队在佛蒙特州先进计算中心（VACC）对实验结果进行了模拟。而且，两个研究团队利用光谱和其他实验手段进一步研究了这种奇特的分子。终于，他们获得了一个更令人惊讶的发现：这种光的激发条件打破了一直被人们视为圭臬的化学定律——Kasha's Rule。

Liptak说：“我们发现了之前不知道的宇宙运作的新方式，这是自然规律的特例。”

世界的色彩缤纷是因为分子按照量子力学的“幽灵”规则吸收和放出不同颜色的光。在大多数情况下，一个分子会吸收特定波长的光，我们可以在色环上看到这种光的互补色。在某些情况下，吸收光后的分子会在短时间内激发一个特定颜色的光，从而实现“在黑暗中发光”，这就是冷光。

1950年，著名化学家Michael Kasha观察到发冷光的分子通常会发出相同颜色的光，和它最初吸收的光的颜色无关。Liptak解释说，这是因为吸收光的第一步是分子弛豫（分子的快速振动、伸展和热释放），从而获得分子的最低能量激发态。因此，当一个典型的发冷光的分子吸收更靠近光谱的蓝色端、能量更高的光时，它只会产生更多的热量，而不是更明亮或者发出不同颜色的冷光。这就是Kasha's rule。

更多的光

在美国国家科学基金会的支持下，UVM/达特茅斯学院的研究团队发现当特殊旋转分子在一个浓稠的溶液中时，其振动能力会被限制，所以它们是在完成振动之前发光的。这是因为转子的桨状部分必须可以自由旋转，开启化学反应以释放热量。但是，由于分子处在浓稠的溶液中，这种旋转被抑制。溶液越浓稠，分子桨旋转越慢，这样就可以发出更多的光。这就是为什么研究团队将他们的发现称为Suppression of Kasha's Rule，或简称为SOKR（发音为“soccer”）。

UVM化学系的助理教授Liptak解释说：“可以这样理解SOKR：一个水池容器有两个出水口，一个出水口位于远高于水池的位置，另一个出水口和水池水平。在低粘度的液体（比如说水）中，划水板没有来得及使液体发生飞溅，便快速冲入底部出水口。在高粘度的液体（比如说枫糖浆）中，划水板行进的速度很慢，由于自身旋转使一些液体溢出，在顶部出水口形成瀑布，在这种情况下，发光的分子转子就产生了明亮的绿光。”

有用的光

这一新的产生光的途径有可能具有实用价值。一位UVM博士生Morgan Cousins和其合著者声称：”我们所发现的化合物是非常活泼的，并且由于其对粘度的敏感性，可能具有广泛的应用。我们考虑将这种分子的应用从工业材料推广到新型LED的制造甚至生物医学成像领域。

如果涉及到细胞学科，细胞内的许多部分（从内质网到线粒体）有不同的功能，而且据推测它们也有不同的粘度。但对于细胞内粘度我们所知道的太少，而这些荧光旋转分子可能会给予我们帮助。Liptak表示，新发现的分子直接应用在人体上是不安全的，所以研究团队目前正在寻找具有“生物相容性”的化合物。在细胞内黏度越大、水介质越少的部分，旋转分子会发出更明亮的光，这可以被纳入医学染料或其他类型的测试中。该分子可以作为一个敏感的诊断工具，因为它们基于所处液体的粘度可以精确地改变发射光的强度。

Liptak表示：“粘度是生物系统的一个基本性能，然而我们目前对其所知甚少。”但这个新的发现为此领域的研究带来了新的曙光。

原文链接：A rule of chemistry suppressed: Promising new ways to look inside cells, make LEDs。

文献链接：Suppression of Kasha's rule as a mechanism for fluorescent molecular rotors and aggregation-induced emission。

本文由材料人编辑部杨浩提供素材，宋金磊编译，万鑫浩审核。点我加入材料人编辑部。