本文系由深圳创新发展研究院、博研教育、深圳企联等共同主办的科技创新院士报告厅第九期内容，本期活动还有深圳市新材料行业协会、深圳市微波通信技术应用行业协会等共同参与主办。5月27日上午，中国科学院院士、香港中文大学（深圳）理工学院院长唐本忠围绕“聚集诱导发光：一个崭新的科学概念及其蕴藏的巨大商机”发表演讲。
以下内容根据唐本忠院士演讲记录整理，经讲者审订。
中国科学院院士、香港中文大学（深圳）理工学院院长唐本忠
今天我向大家讲的这个主题跟纳米材料有关，聚集诱导发光（Aggregation—InducedEmission，AIE）。
一、什么是聚集诱导发光（AIE）
光是非常重要的，光的研究开启了众多基础科学分支，催生了很多对人们生活产生巨大影响的基础性创新。
随着光的技术发展，光源的形式越来越多样，从远古至今人类一直在利用太阳自然光，到后来人们发现烧火可以产生光，再到现代随处可见的人造光。人造灯也在步步迭代，从发热发烫的白炽灯到如今的节能冷光源LED等等。
近代一系列光学材料和技术的重大突破改变了世界的面貌，2008年的诺贝尔化学奖颁给了绿色荧光蛋白的发现和改造，这项技术能点亮生物体内肉眼不可见的微观世界。2014年的诺贝尔化学奖颁给了超分辨荧光显微技术的研发，这一技术让人们可以观察到纳米级的光信号。同一年，诺贝尔物理奖颁给了蓝色发光二极管的发明，这一发明使得人类凑齐了能发出三原色光的发光二极管，提高了人类的照明效率。
从基础科学的角度来讲，这些人造的发光材料涉及光物理的研究，包括光电的相互作用、能量的转换等等。比如手机显示屏就是电跟光的结合，把手机电池的电转化成光显示出来，这个就是能量转换。大家或许都听说过柔性屏手机，也就是基于有机发光二极管（OLED）的手机，未来手机可以做到像纸一样随意折叠，不仅是小小的手机屏幕，未来的柔性屏还可以像墙纸一样大面积贴在墙壁上。OLED技术很多年前就已经有了，但是因为价格和产品寿命等方面的限制，并没有被非常成熟地市场化。可见好的技术要转化成产品很不容易，从技术到产品是一大难关。
再举另外一个例子，我们身体里面有很多物质是肉眼看不见的，如果这些看不见的东西能够被点亮的话，我们就可以借助荧光显微镜来观察微观世界，帮助人们理解生物的结构，探索生命体内的各种过程。如果身体里面的癌细胞可以发光的话，医生就能发现和追踪癌细胞，准确地切除癌组织。
从光电屏幕和生物成像两个例子可见，发光材料是很有用的，但是任何领域都会有它的问题，并且往往越成熟的领域要想进一步发展就越难。科学研究最初的成果都是低垂的果实，柿子也要捏软的，但是难的是去摘高处的果实，去探索硬核的部分。下面我要讲的就是比较“硬”的问题。我们现在街上看到的霓虹灯是LED也叫做发光二极管，采用的是无机的发光材料，无机的材料最大的好处是寿命很长，最大的毛病是非常难加工。大家听到“无机”可能不知道是什么，玻璃就是最有名的无机材料，玻璃的加工以前要一千度以上，现在有些七八百度就可以了，要加热到这个温度需要多少能量？其次，无机的发光材料很脆、容易碎；再者，无机发光材料是点阵的，一点一点的很难做成大的屏幕。
有机的材料跟无机材料恰好相反，衣服、塑料瓶子都是有机材料，有机材料非常容易加工，塑料一百度左右就可以加工了，而且不容易碎。不像无机材料的点发光，有机材料可以做片发光。因此有机材料做的发光材料有很多优点。
这些有机材料要么在固态使用，要么要在水的介质里使用。大家想想把油滴到水里是什么样的状态，油是疏水的，这些疏水的共轭分子在固态时容易叠在一起，在水里会聚集在一起，但是这些分子聚在一块以后对它的发光过程会有负面影响。比如这个分子如果溶在不加水的有机溶剂里时，这个溶液在激发下可以发光，但随着水的加入，分子开始聚集，发光逐渐减弱，直至彻底消失。这个很麻烦，比方你想要看身体里面有没有癌细胞，把发光材料往身体里一打，材料一聚集，马上就不发光了，什么信号都拿不到。这个现象是聚集导致发光猝灭效应简称ACQ（aggregation-causedquenching）。科学家一直想避免这个效应，但很困难，因为固态的分子聚集是一个自然的过程，加了水后材料聚集也是一个自然的过程，要跟自然对着干是很难成功的。
在20多年前我们偶然发现了一个跟上述ACQ现象恰好相反的过程，这个分子在水含量0%的时候完全不发光，随着水的加入，分子开始聚集，水含量达到80%比较亮了，到90%更亮了。这个就很好了，这时候你往身体一打癌细胞都发光了，就可以看得清清楚楚了。这个就是聚集诱导发光AIE。
AIE的机理其实很简单，举个例子，如图1，一般的分子是在基态能量最低的地方，你给它能量以后，就像手机的屏幕开关一打开，电的能量就把它变成激发态，在这个状态下不稳定会回到基态，我们把图片上的水流想象成光，它从水闸的地方回去，就是辐射跃迁。如果从水车这个地方回去，就变成了水车的机械能，就是非辐射跃迁。
图1AIE分子的工作机理
一个激发态分子发生非辐射跃迁，就会耗散能量不发光了。单个分子可以自由地运动把能量耗散掉，一旦聚集以后分子内运动受到限制了，动不了了，能量不会转变成热能耗散，就会以光的形式发射出来。知道这样的原理，我们就可以设计各式各样的分子，把分子结构稍微改变一下，颜色可以从蓝光到红光到近红外光，覆盖各个波段。
大家可以现在想象，我们在实验室里面研究的是分子，但现实生活中应用的都是分子的聚集体，显而易见聚集时有效果才好，AIE分子可以保证聚集态时可以发光，所以是非常有用的。例如改变温度、压力、酸碱度等环境因素，发光的颜色和亮度也会随之发生变化，因此AIE分子可以用来做智能材料，可以检测爆炸物、指纹、细菌、污染物等等，只要能设计出合适的AIE分子，基本上任何东西都可以检测，设计的思路很简单，需要检测的东西跟AIE分子一结合，分子卡住不好动了，就点亮发光了。此外还可以做生物成像，比如癌细胞的追踪、细胞和组织的影像，疾病标志物的识别等等。所以，AIE分子可以做很多的事情，应用特别广泛。
二、AIE是中国人领跑的一个科学领域
三、AIE的应用及潜在商机
下面我要讲的是AIE的应用及潜在的商机，AIE的应用现在基本上把它分成三大类：
第一类：高效率光电转化材料和器件的开发与应用
中国是缺乏能源的，第一要想办法开源，第二要想办法节流，因此中国对高效率的光电转化材料有非常大的需求。
下面给大家举些例子：
OLED领域
现在手机上的很多材料基本上是依赖进口的，我们没有自主知识产权的话，别人一“卡脖子”就麻烦，以前的芯片可以买到，现在有些不卖给我们了，短期我们会非常痛苦，但长期很难说。一旦我们把芯片造出来以后就不需要再去依赖别人。这是为什么现在中央强调我们要“国产替代”。希望以后的手机可以像一张纸一样随意折叠，这是完全可以利用AIE材料做到的，而且AIE材料的各种知识产权都在中国人手上。现在我们想把中国原创的东西变成高效的固态发光材料，利用特殊发光机制去占领市场。非掺杂性AIDF-OLED材料我们在实验室已经做得非常好了，以前荧光的材料效率做到5%我们就非常开心了，现在我们可以做到40%，效率非常高。虽然AIE材料与技术我们是领先的，但也存在很大困难，我一直想把AIE材料应用到手机上，企业家都知道，实验室很小规模地做到工厂大规模产业化是非常烧钱的。现在我希望中国多出几个任正非，愿意在这方面投入。
圆偏振光发射
AIE材料还可以用在圆偏振光发射领域，平常的光是360度的完整光，我们看3D电影时透过眼镜的是偏振光，偏振光可以用来做很多看起来很科幻的事情，比如可以做3D显示，或许未来的一天，我们用手机和朋友通话时，对方可以从屏幕里跳出来像全息影像一样跟你对话，目前的技术阶段这样的效果肯定达不到，发展路途还很遥远，但AIE材料在这一领域的探索一直走在前沿。
点胶剂，单分子白光
最后一个例子是点胶剂和单分子白光。图2中的这些器件使用的是无机材料，一个一个点拼接成屏幕，这叫点光源，有机材料可以做成一大片的面光源。这些无机LED材料发展得非常成熟，但是它的发光波长是固定的，个性化定制困难，还有一些工艺上的问题。但我们可以在上面铺一些有机的东西，就像在上面涂一层油漆一样，下面一照，上面可以变成不同的颜色。
图2光电功能转化材料及器件的应用场景及行业痛点
我有一个学生是做纺织的，穿在身上的衣服可以发光。日本现在有很多公司在衣服上做学问，大家千万别小看衣服，比方智能型的发光衣服，如果有细菌或病毒它就会发光，你的汗液里面有很多东西可以检测，比如糖分多少，血糖是不是高。我们这些材料完全可以做成智能衣服的，因为这些信号可以通过光的形式反映出来。
第二类：高灵敏度智能传感材料
金属离子类
AIE可以做传感器来检测各种离子，我们的身体里面有很多不可或缺的离子，比如钾，钾有很多的功能，缺钾是不行的，多了也不行。
图3AIE作为传感器检测各种金属离子
怎么检测呢？我们需要设计一种钾离子荧光点亮型探针（如图3），让这个探针只要一见到钾离子就与钾离子耦合在一块，就像我的手乱动时突然有一个东西把我的手绑住了一样。前面我们讲过，分子只要不好动就会亮。如果换一种离子，比如要检测锌离子，那么把化学结构换一下让它一见到锌就耦合在一块，这就叫特异性检测。例如，矿泉水要达到可饮用的指标需要做很多检测，要是水里含有有毒的离子例如铅离子，喝进去就很麻烦。银离子也是一样的道理，纳米银常常用于键盘膜等物体表面杀菌。但是这些东西随便扔掉后，会导致银离子跑到河里面去了，鱼吃进去了，人再吃鱼，重金属就在食物链里富集，最终伤害人体健康，因此环境的重金属污染是很需要检测的。
图4AIE作为传感器检测各种金属离子
我原来在香港科技大学有一个朋友是搞海产毒性分析的，以前需要非常复杂的技术来做分析，包括色谱等等复杂的技术，我说不需要那么复杂，用AIE材料就很方便，一碰到目标金属离子就亮了。
检测食品新鲜度
AIE材料还可以检测食品是否新鲜，日本人喜欢吃生鱼片，生鱼片是否新鲜需要靠鼻子去闻，但事实上，鼻子还没有闻出来之前可能已经不新鲜了。
图5AIE材料检测食品新鲜度
食品一旦不新鲜会产生胺，有一些AIE探针一见到胺就会亮，这是用生鱼片做的实验如图5，其中有一块坏了的生鱼片，但是眼睛看不出来有太大的差别，但用AIE试纸一测就发现它产生了胺。有时候我跟我的学生开玩笑，我说如果把测食物腐败的AIE材料做成一个小试纸条，中国的大妈每天买菜都带着试纸条的话，这个市场一定巨大无比。但是做老师只能有这种期待，变成产品还是需要靠企业家。
测试有毒挥发气体
AIE材料还可以检测有毒气体，比如一氧化碳、甲醛等等，现在人们买了新房子，家具、油漆含甲醛，我们的传感材料就可以检测甲醛，一有甲醛就亮，甲醛的浓度越高越亮。
工厂里面也有毒气，比如有机磷和有机氯，光气就是一种有机氯。有一个塑料叫做聚碳酸酯（PC），我相信现在很多人的眼镜应该都是塑料片的，就是用光气做的。光气一泄漏就很麻烦，我们的传感材料碰到一点点光气就会亮，能够很好地检测光气是否泄漏。
测试常见气体类
我们国家现在讲“双碳”，环境中具体有多少二氧化碳？AIE传感材料可以检测二氧化碳。利用检测二氧化碳的能力，AIE传感材料还可以用于预测火山爆发，火山爆发前，地下的熔岩活动会让很多石头熔化，里面的碳酸钙释放很多一氧化碳和二氧化碳，就像煤矿工人到地下挖煤的时候如果通风不好就会中毒。火山爆发几千度的熔浆会熔化多少石头，如果放到火山口检测二氧化碳的浓度，就可以预知火山爆发的程度。
高灵敏度的AIE智能传感材料可以用来检测空气中微量的水，湿度的检测太重要了，微电子器件是绝对不能有水的，所以电子封装非常重要，一定不能让水进去。
图6AIE材料检测空气湿度
如图6，这种AIE材料在相对湿度是10%的时候发蓝色的光，相对湿度是60%时发绿色的光，再高变成黄色的光了。电子封装时对湿度的检测非常复杂，借助荧光检测可以让湿度信号肉眼可见。
刺激响应
AIE材料可以对外界的刺激产生响应，比如热感/力致变色材料，你给材料一个力，它的颜色就发生了变化。你把温度提高一点，它的颜色又发生其他的变化，所以这些刺激响应性AIE材料可以用来制作可擦写的纸张。
压力敏感材料
我们知道有一门学问叫做生物力学，还有一个很奇妙的东西叫“干细胞”，受精卵是干细胞，逐步分裂分化最后一直变成人的鼻子、眼睛等等，从最小的一个细胞孵化成各种不同的器官。干细胞为什么能变成各种不同的器官，肯定是发育的过程当中受力、温度、酸碱度等各种各样的东西影响。这个研究很难，我们现在有同学在做微压力敏感和高压力敏感材料，这个细胞稍微碰到一点点力，发光材料就马上变了颜色，就能更直观准确地研究细胞发育时哪里在受力，这个就叫微压力敏感，可以对微小的纳米级的力产生光信号的响应。
图7运用AIE材料进行风洞检测
压力敏感材料还有一个很有意思的应用场景，那就是风洞检测，飞机是需要做风洞检测的，飞机在空中飞是空气不动飞机在动，风洞检测是飞机不动空气动，鼓风机对着飞机吹，检测飞机受力情况。现在的飞机风洞检测非常麻烦，有很多数学模型和很多探测器。如果现在往飞机上面一涂一吹，它受不同的力，发光的颜色、强弱不一样，马上看得非常清楚。
检测有机底物
AIE材料还能检测葡萄糖氨基酸生物酶等等有机底物，这些生物小分子大分子对人体非常重要，例如检测葡萄糖可以用来监测糖尿病等等，针对不同的有机底物，我们可以设计出各种体外体内检测的探针，荧光的高灵敏度和可视化让其在医疗健康领域大有可为。
海水淡化——应对全球水危机
世界上水的总量很多，但是干净的淡水资源是缺少的。海水淡化是大家非常想做的事情，现在有成熟的技术，但太贵了，海水淡化的技术还有很大提升空间。我们在前面讲的，AIE分子它在动的时候不发光，能量转化成热耗散了，光变成热温度就上升，我在想如果把它往海水里面一扔，太阳光一照温度升上去了，海水蒸发了，蒸发以后搜集起来就变成淡水了。太阳、海水是不需要付钱的，唯一需要付钱的就只是纳米粒子。目前我们做的纳米粒，每小时每平方米可以产生大约5公斤的纯净水，这个水纯净没有任何细菌，因为光照了以后纳米粒子会产生活性氧，把有害微生物都杀死了。
AIE高效转光技术——“粮食危机”和“碳达峰+碳中和”
另外一个就是双碳的问题，现在达到双碳目标的主要办法是减排限排，但我认为减排限排是有限度的，就像开上汽车以后再让你走路可能你会不高兴的，如果能把二氧化碳变废成宝就太好了，现在欧洲、美国已经在做蔬菜工厂，把植物放在24小时光照的植物工厂，缩短植物生长物理周期，提高空间利用度，但他们用的是灯光而不是太阳光。我的理想是能充分利用不要钱的太阳光，太阳光里面有紫外光，紫外光植物是不喜欢的，但是我们做的东西可以把紫外光变成可见光，植物也不是所有可见光都喜欢的，绿色实际上对绿色植物的生长没有多少用处，基本都被反射掉了，红色对植物的生长比较有用。刚好我们的这个技术可以要什么颜色的光给什么颜色的光，把植物不利用的那部分阳光全部转化成植物需要的阳光，这就充分利用了太阳的能源，转化了更多的二氧化碳。
图8植物工厂运用AIE高效转光技术
第三类应用：高品质成像和示踪材料
细胞器选择性识别
小小细胞里面有大大的乾坤，AIE材料可以对细胞进行特异性检测和成像，根据不同的生物结构可以选择不同的材料。相较传统的商业材料，我们材料的光稳定性更好，可以长效示踪动态地监测细胞。例如，线粒体是细胞的动力工厂，它出问题了健康就会受影响，线粒体跟很多疾病都是有关系的。癌细胞的生长繁殖非常活跃，线粒体动力工厂也数量更多更忙碌，因此我们可以用线粒体来区分正常细胞和癌细胞。
如图9所示，在共同培养的时候，用检测线粒体的材料检测细胞时，正常细胞不亮但癌细胞亮。我有一个学生是名医生，他对我们的技术非常感兴趣。他说，给患者做手术时需要判断癌组织的边界，中间的大块肿瘤知道怎么切，但是旁边的正常细胞和癌细胞犬牙交错的地方就非常麻烦，有些器官不可再生，切多了患者的生活质量会受影响；如果切少一点，又存在复发风险。如果荧光材料特异性识别癌细胞的技术成熟后，就可以做到只要是癌细胞就能被点亮，只要亮的地方把它切掉就行了，这样的术中指导对医生是很有帮助的。
图9运用AIE材料检测癌细胞
不仅是识别定位了癌细胞，AIE材料还可以在光照下产生活性氧（光动力学疗法，PDT）有效杀死癌细胞，即做到了诊断和治疗一体化。除了癌细胞，有害细菌、真菌的检测和杀灭也是医疗健康领域很重要的环节，现在有种细菌叫“超级细菌”，一旦感染超级细菌之后任何的抗生素都不管用，而我们这个技术靠光照PDT产生活性氧以后马上把这些菌杀死，很难产生抗药性。
图10利用AIE材料开发的新冠抗原检测试剂盒
病毒快速诊疗
不仅如此，我们还可以做病毒的快速诊疗，图10是当年武汉疫情的时候跟疾控中心合作开发的新冠抗原检测试剂盒，检测的输出信号是AIE荧光信号。此外，像Zika病毒、禽流感病毒等都是可以检测的，我们的检测准确率高达99%。
有机荧光AIE点优势
近/远红外AIE点成像
近/远红外AIE点成像有很多的优势，一是AIE高亮度导致的超深度成像，实现非侵入式的逐层扫描，比如对脑组织进行一层层扫描。
二是AIE高亮度导致的超高空间分辨率成像，有些生物结构比如微血管是很小的，如果分辨率不高很容易看不清而混淆。我们经常讲的肿瘤并不是都需要切除的，良性的肿瘤可以选择切或不切，恶性的肿瘤一定要切除。良性和恶性最大的区别在于，恶性的癌细胞会通过血管转移到身体各个部位。我们可以把AIE纳米粒子打到血管里面去，如果肿瘤周围的血管不亮，说明癌细胞没有扩散，这是良性肿瘤。如果肿瘤血管旁边全部是亮的，说明癌细胞扩散了，这就是恶性肿瘤需要切除了。
图11AIE高亮度导致的超高空间分辨率成像
最后，AIE高亮度导致的超长程成像，也就是长效示踪成像，我们把AIE纳米粒子喂给猴子吃，它在猴子身体里面如何代谢，去了哪些地方，都全部看得一清二楚。
图12AIE高亮度导致的超长程成像
诊疗复合探针
光热疗法，我们的人体上升几度就是高烧了，会非常难受，癌细胞比正常的细胞更加怕热，因为癌细胞的散热功能很差，像一块石头一样。举个例子，如果小白鼠有皮肤癌的地方有一个肿瘤，将AIE材料打进去，光一照局部升温把癌细胞热死了，这个就是光热疗法。
除了光热疗法，还有五花八门的诊断和治疗方法，如果多种方法能集中于一体，也就是多模态诊疗，那这样的复合探针就太有用了。我们在AIE材料用于多模态诊疗方面也有很多探索，以图13为例，这个材料内部是金属的纳米粒子，外面是我们的发光材料，它可以同时提供CT信号和荧光信号，多重信号可以给医生提供更多信息，减少误判。
图13AIE材料的多模态诊疗
四、AIE技术转化与投资蓝海
AIE领域就像一棵大树一样枝繁叶茂，发展出众多领域。在基础研究层面已经硕果累累，但实际应用这块还有待开垦，我想把这两者中间连起来。既可以是制造也可以是创造，以前人家做出来的东西，我们国产替代是制造，别人没有做出来的东西，我们从头来做是创造。从基础科学走到技术应用，打通科技成果转化落地的最后一公里，是很重要也是我们一直想做的事。
事实上，我们的AIE生物荧光探针是有一家公司在卖的，一般一克是10万人民币，有的是20万人民币，可见我们这个东西是高附加值的。
目前我们有一个转化的实验室，希望找到合作伙伴，可以成立股份合资公司，也可以进行特定项目的技术转让，尽可能找到一个合适的模式把这个技术推向产业化。
AIE的产业化现在是天时地利人和。天时方面，国家本来就非常重视，外加面对国外的压力而产生了巨大的国产自主化的动力；地利方面，大湾区的发展前景不容小觑，深圳现在已经是全国的人才集聚地，我认为再过若干年就是全球的人才集聚地。外国人讲深圳是“中国的硅谷”，未来这个地方一定会发生天翻地覆的变化。人和方面，有幸有各位企业家的支持，我们争取一起做一点事，把这个技术变成产品，回馈社会。