天然产物通常具有独特的化学结构和良好的生物活性，一直是新药研发的重要源泉，然而它们的荧光性质却常被忽略。其实，它们固有的荧光特性可以帮助我们“看见”分子在细胞中的行为，探索药物的作用靶点和机制。经典的荧光染料大多是有机合成分子，通常在固态或水体系中存在聚集诱导猝灭（ACQ）效应。唐本忠院士团队发现的聚集诱导发光（AIE）分子因在聚集态可以实现高效发光而被广泛应用于光学器件、传感、生物成像和光动力治疗等领域。目前大部分AIE分子都是基于限制分子运动（RIM）机理合成的，普遍含有转子结构，这在一定程度上限制了想象力和AIE分子的结构多样性。因此，向大自然学习，跳出现有AIE分子设计的固有框架，发展全新的AIE体系，不但有助于AIE分子体系的进一步拓展，也有助于发现新的机理以及拓展新的应用。

图1. 天然AIE香豆素的发现及机理分析

我们发现药用植物飞龙掌血的干燥根茎及新鲜幼嫩根部均可发出很强的蓝色荧光，这预示着其中可能含有可以高效聚集态发光的分子，随后，从中分离得到香豆素同分异构体5-methoxyseselin（5-MOS）和6-methoxyseselin（6-MOS）。它们在溶液态荧光强度不同，但在固态的荧光均比其单分子溶液的增强，表明具有AIE性质（图1A-D）。晶体分析和理论计算结果表明（图1E-H），5-MOS为刚性平面结构，在单分子时荧光很强，而6-MOS为扭曲构型，分子在激发态剧烈的运动促进了非辐射能量渠道的打开，使得荧光较弱。在晶体中，分子间相互作用使得分子激发态运动受限从而荧光增强。

图2. 5-MOS反常的AIE曲线及原因分析

经典的良/不良溶剂体系也常被用来验证分子的AIE性质，向AIE分子的良溶液中逐步加入水等不良溶剂可形成聚集体从而使荧光增强。6-MOS表现出典型的AIE特征，荧光强度随水的加入逐渐上升。然而反常的是，5-MOS却展现出了截然相反的特征，其荧光强度随水的加入逐渐下降（图2A-D），但晶体的荧光却很强，这与我们目前观察到的大多数AIE体系完全不同。进一步溶剂效应分析发现5-MOS在水中的荧光猝灭与其在质子溶剂中形成的氢键有密切关系，并提出其反常AIE现象背后可能的机制（图2E-I）：在良溶剂中5-MOS因刚性结构荧光很强，加入不良溶剂水后，形成不同聚集程度的聚集体，水分子嵌入其中，分子间氢键介导的电子/能量转移导致荧光猝灭。而在液氮中迅速冷却时，水分子被挤出，形成排列紧密而规整的大聚集体或微晶，电子/能量转移被抑制，因此荧光恢复。

图3. 细胞成像及荧光共定位分析

随后探究了它们细胞成像的潜在价值。有趣的是，不同于6-MOS在细胞和培养基中都发光，5-MOS在水体系中聚集体不亮，但在进入细胞后可能发生解聚并与特定靶点结合从而使荧光恢复，因此可以实现细胞的免洗成像（图3A-B）。目前能免洗成像的AIE分子大多在水溶液中不亮而进入细胞后因聚集激活荧光，而5-MOS提供了一种新颖的免洗机制。此外，荧光共定位实验表明它们均可在细胞线粒体中富集，实现线粒体靶向成像（图3C-D）。目前设计合成的线粒体靶向探针大多带有正电荷，通过静电相互作用与负电性的线粒体结合实现线粒体成像，而这对分子中不含有正电荷，因此成像机制可能也与众不同。

本文独辟蹊径地从民族药用植物飞龙掌血的荧光根部发现了不含转子结构的天然AIE香豆素分子，并深入挖掘了其不同荧光特性背后的机制及潜在的利用价值。该研究不仅为荧光天然产物的开发利用提供了方向，也为天然AIE分子的快速发现提供了新思路。同时启发我们，通过学习自然可能会发现更加新奇的AIE体系，这将有助于我们加深对AIE的认识，推动AIE机理的不断发展和完善，进而丰富AIE分子的结构设计。

1. 本篇工作所聚焦的前沿问题是什么？本研究的重要性与创新性体现在哪些方面？

本篇工作主要聚焦生物兼容性聚集诱导发光新材料的开发及其发光机理研究重要性：聚集诱导发光（AIE）是一个由中国科学家提出的原创性概念，其颠覆了人们对发光材料的传统认知，为发光材料固态下荧光淬灭的痼疾提供了完美的解决方案，已成为世界范围内发光材料领域的研究热点。而本研究所提出的向自然学习，发展新型天然产物类聚集诱导发光材料的理念则跳出了现有AIE分子设计的固有框架，不但有助于发展出结构全新的AIE体系，也有助于促使对AIE机理从新的角度产生新的理解并拓展出新的应用。

2. 您为什么选择ACS Central Science期刊？

ACS Central Science是美国化学会精心打造的一本多学科、综合性钻石开放获取期刊，向读者免费开放，已经在读者群体中建立起了良好的口碑。所发表的论文都是具有高科学质量、独创性以及能吸引到广泛化学研究群体的文章。我相信在这样一本优秀的国际顶级期刊上发表我们的工作，可以将我们的最新研究成果更加便捷高效的传递给读者。

3. 您有哪些有趣的科研经历与故事分享？

2017年我们与药物化学领域的同行曾讨论过一个合作课题—用AIE材料来标记中药黄连素，并追踪其在细胞中的分布，并借此理解药物在细胞中的作用机制。当我们买来了原料并设计好合成路线之后，我们发现黄连素即使不用AIE分子标记，其自身就具有非常典型的AIE性质（Chem. Sci. 2018, 9, 6497-6502.）。我们进而对黄连素的AIE性质进行了系统研究并发现其在成像和治疗方面的应用，也因此开启了生物基AIE材料这一新的研究方向，所以这是一个意外发现导致的研究方向。

4. 您所在的研究领域面临的主要挑战有哪些？有哪些重要的科学问题亟待解决？

挑战：

（1）结构-性质关系的阐明。这里的结构不仅指分子结构，还涉及聚集体的结构，因为不同晶态下的分子结构的空间构像、自由度、排列都是不一样的；

（2）揭示聚集与发光现象之间关系的更为共性的主导性因素。比如我们现在讲聚集导致发光淬灭往往会提到是由于聚集产生的p-p堆积淬灭了荧光，但实际上通过文献检索会发现p-p堆积既可以增强荧光也可以淬灭荧光，甚至连H-聚集（一般认为会淬灭荧光）也被报道也是可以增强荧光的。同样，AIE材料里边也有一些特殊的体系我们还无法用当前的机理进行合理的解释。这些都是需要进一步探索解决的科学问题；

（3）AIE生物医用材料走向临床也面临挑战，比如对成像材料而言，需要通过系统的生物安全性评估、阐明药物的排出和代谢路径，是否产生体内非特异性结合；当然，在活体层次使用有些情况下还要考虑光的穿透深度的问题； 

5. 您对从事化学与材料领域研究的青年工作者有什么建议？

找到适合自己的方向就扎下根来深耕一个领域，遇到问题不要回避，尽自己最大的努力去弄明白，当日积月累解决问题成为一种习惯了，不但自己的能力会得到大幅的提升，也会逐渐形成自己的特色。当然，当遇到自己实在解决不了的问题时，要善于合作，多听取领域内的前辈的建议和指导。

唐本忠，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“生物材料科学与工程Fellow”、英国皇家化学会会士、国家自然科学基金基础科学中心项目负责人，曾任广东省引进创新科研团队带头人、973计划项目首席科学家、国家自然科学基金重大项目负责人。现任中国化学会常务理事、华南理工大学和德国威利出版社（Wiley）联合期刊Aggregate主编、《中国科学：化学》副主编、《化学进展》副主编、Adv. Polym. Sci. （Springer）编辑等。在国内外顶尖杂志上发表论文1600余篇，他引十六万余次，h指数为177。2001年在国际上首次提出了AIE的概念并阐述了该现象的机理，创制了一系列具有原始创新性和自主知识产权的发光新材料，开发了它们在光电器件、化学检测和生物传感等领域的高技术应用，开创了一个中国科学家引领、国外科学家跟进的新研究领域。作为AIE概念的提出者和研究的引领者，于2014-2019年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家。同时，唐本忠教授先后获得多项荣誉及奖励，如国家自然科学一等奖（2017），Nano Today Award (2021)，Biomaterials Global Impact Award (2023)，何梁何利科学与技术进步奖（2017）、第27届夸瑞兹密国际科学奖（2014）、美国化学会高分子学术报告奖（2012）、国家自然科学二等奖（2007）、裘槎高级研究成就奖（2007）、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖（2007）和爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖（2007）等。

罗晓东，中科院“特聘研究员核心骨干”，现任云南大学“东陆特聘教授”。获“国家杰出青年基金”， 国家“万人计划”领军人才，国务院政府津贴。主要从事植物资源、结构、功能及新药（农药）创制的研究，在吲哚生物碱和柠檬苦素类化合物领域形成了从系统基础研究到新药创制的特色。主持完成国家级项目10余项，以第一/通讯作者发表SCI论文190余篇，基础研究入选国家自然科学基金委《2012年度报告》。兼任学术期刊Natural Products & Bioprospecting 执行主编及Pharmaceutical Biology副主编。

赵征，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者，国家高层次青年人才，深圳市鹏城孔雀计划特聘岗C类人才，中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准检验专业委员会常务委员。主要从事新型AIE材料的开发与机理研究、聚集体光敏剂以及近红外荧光材料的开发和生物医用研究。已在Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Adv. Mater等国际顶级期刊发表论文80余篇，论文总计被引用6400余次，H-index为44。目前兼任科学出版社聚集诱导发光系列丛书编委，Aggregate期刊青年编委，National Science Review期刊青年编委，Smart Molecules期刊青年编委，National Science Review客座编辑，Biomaterials杂志客座编辑等。

ACS Central Science是ACS最具包容性的交叉学科期刊，发表以化学为中心的多学科领域最前沿，最重要的研究成果。旨在为全球学者提供交流平台，文章即时发表，全球免费获取，作者也无需付费。

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