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”

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”
2020年07月28日 16:43 《经理人》

原标题: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” 来源:经理人网

“相隔一年,世界已经巨变,技术变革提前并且加速,与其担忧,不如担当。”马云在2020世界人工智能大会上讲到。

疫情之下,对于愿意思考未来的企业家来说,机会才刚刚开始。新科技将改变未来商业世界版图。

港科大EMBA中英双语课程以云课堂,参观实验室,专题报告,知识转移四部曲的方式开展了「走进科大实验室」系列活动,邀请到首屈一指的科研教授,与大家一起分享世界级的科研成果,一起感受科技的力量,以及其蕴含的巨大商机。

「光」可谓万物生命之源,改善人类的科技也是源自「光」的创新研究。唐本忠院士致力于聚集诱导发光(AIE)机理的探究,2016年《自然》期刊将AIE列为支撑未来纳米光革命的四大纳米材料之一,且是其中唯一一个由中国科学家原创的新材料体系。AIE分子材料有如竞赛场上的 「全能运动员」,可应用在物料、医疗、病毒检测、食品质量监测等多个范畴,具有极大的潜在商机。

一、光学研究对人类有多重要

「许多改变人类生活的技术,均是来自关于『光』的研究,在研究光与其他物质的互动中,从重大的基础科学发现新创新。」(《自然材料》2015年14卷社论)在众多关于光的研究中,发光分子在稀溶液里闪闪生辉,一直引起我的注意和喜爱。

早期的重大光学研究成果,例如爱因斯坦在1905年发表「量子论解释光电效应」,一直改变人们思想的概念与机理,直至近代有关光学的大影响力研究,包括2008年及2014年诺贝尔化学奖的项目,分别是「绿色荧光蛋白的发现和改造」、「超分辨荧光显微技术的研发」;而2014年的诺贝尔物理奖,获奖项目就是「高效蓝色发光二极管的发明」,全都是发光材料与器件,它们是改变世界面貌的材料与技术。

聚焦光与其他物质互动的研究,主要有两大类。其一是光物理 (Photophysics),特性是以固态聚集,探索光与电的相互作用、能量转换的过程,已经常应用至许多电器用品中,如大型电视屏幕、柔性显示、省能照明等,一般人非常熟悉。其二是光生物 (Photobiology) ,特性是以水相聚集,用作理解生物结构、探索生命的过程,医疗应用普遍,包括成像示踪、健康诊疗、疾病防治等。

二、聚集诱导发光AIE的划时代突破

有机发光材料通常在固态和水相使用,随着水的加入,分子开始聚集,发光逐渐减弱,直至彻底消失。这种现象叫做ACQ (Aggregation Cause Quenching),意思是「聚集导致发光猝灭」。因为发光材料多在聚集态下使用,比如制作一块有机发光二极管(OLED)的手机屏幕,发光材料就是在浓度最高的固体薄膜态使用。那么,究竟如何降低ACQ效应的不利影响?其中一个被大多数研究人员采用的方向,是抑制发光分子的聚集,但效果并不理想。

由我们研发的概念──聚集诱导发光 (Aggregation-Induced Emission, AIE),与传统ACQ现象完全相反,随着水的加入,分子开始聚集,发光逐渐增强,直至闪闪发光;原理是具有AIE特性的分子,跟与平面共轭的ACQ荧光分子不同,AIE分子通常具有螺旋形或者扭曲的空间结构,使份子在聚集态下,限制了分子内的自由运动空间(Restriction of intramolecular motion,RIM),抑制了激发态的能量以非辐射跃迁衰退的途径,转而以荧光的形式耗散,令发光强度显着。

三、AIE的多元优势

AIE具备多项优势,包分子结构可按RIM机理设计,发光颜色可覆盖紫外,即红外波段,聚集态发光量子效率也可调节。经过20年的发展,AIE材料已经广泛应用在化学/生物传感、光电器件、癌症诊疗和纳米药物递送等众多领域。

这项百分百中国原创的技术,使聚集诱导发光研究团队荣获2017年度国家自然科学一等奖,我有幸成为科大创校以来,首位获此殊荣的学者。目前,全球有145个国家或地区,共约12,000个研究机构或部门从事AIE相关领域研究。

AIE的突破性贡献,在于AIE可被套用到不同物料上,可说是材料竞赛场上的「全能运动员」,应用层面涵盖:血管成像、细胞追踪、液晶显示、智能材料、发光二极、指纹检测、爆炸物探测、有机光波导细菌甄别、食品质量监测、化学传感器、细胞器影像,AIE的出现,逐步打破国际间对荧光检查技术,以及相关产品的垄断局面。

四、AIE的技术和应用范围

AIE材料的技术和应用主要分三个范畴:

(一)效率光电转化材料和器件的开发与应用

目前,中国在能源领域上面对巨大的需求,发展环保照明和各类显示工具是必然的趋势。以OLED为主的显示和照明为例,可应用于折叠显示、柔性照明等多个普及化的场景,然而代表性材料功能单一,且全方位依赖进口,设备亦全面依赖进口,中国缺乏自主知识产权如荧光、金属磷光材料体系。

1、环保照明及低成本三维成像

具备AIE特性的OLED材料,保证材料高固态光致发光效率,特殊发光机制提高材料的激子利用率,可制造低成本、低滚降、高器件表现力的成品,建基于AIE,可发展出一系列具有自主知识产权的电生光材料、器件和工艺设备,满足能源的需要。

至于应用在量子计算、自旋电子学光通信、光学保密及3D显示的「圆偏振光发射」技术,行业痛点同样是光学组件依赖进口,由AIE支持的非掺杂性CPL(圆偏光镜)材料及器件,是高效率偏振光材料,可裸眼多角度立体显示,是低成本的三维成像器件。

2、简化LED点胶

而LED的其中一个工序:点胶,除了现行原料基本依赖进口外,还有点胶分散性差,能量传递不充分,更会对环境造成污染严重等缺点。按AIE的原理,可制造反Kasha规则的单分子白光,新理论传新跟发光能级充分利用,有效降低器件制备成本和简化工艺,而且AIE颜色丰富,与现行点胶工艺结合。

(二)高灵敏度和高特异性的智能传感材料和器件

新冠病毒引起全球疫症,环境保护监测、公共安全卫生等领域的诉求只会有增无减,多类别、复合型和大通量的检测材料和设备,均为市场所需,研发中国原创的智能传感材料和设备,也有助打破国外在此领域的垄断。

1、及早发现缺钾症

以金属离子类为例,现行常规的材料是无法采用可视化的荧光法检测钾离子,而采用AIE为材料的钾离子荧光点亮探针,有助发现人体缺钾症,当人的体内缺钾时,会造成全身无力、疲乏、心跳减弱、头昏眼花,及早检测,病人适时补充钾,支持心脏舒展和伸缩自如,调节心跳节律,维持身体健康运作。

2、含汞或银量污染物

另一方面,纳米银产品泛滥,美白袪斑等护肤品亦常被发现含汞或银量超标,污染源十分广泛,而AIE为材料的汞离子荧光点亮探针,则可有效找出有害污染物。而食品新鲜度更加是市民最关心的项目,尤其是活鱼海鲜,我们将AIE材料应用至胺类挥发性气体监测,可容易验出三文鱼的放置时间,叫人吃得安心。

3、综合工业污染检测

工业产生的有毒气体或废水,无色无味,长期损害人体健康,一直是社会关注的课题,唯工业排放的检测行业痛点多,不但检测时间耗时长,且每次检测只针对特定物种条件,混合体系失效,便携式检测器亦较少。AIE技术可解决以上痛点,因为AIE多为单一反应型,选择性好、精密度高,例如有机毒气可视化含量监测,可应用至化工厂区挥发性有机化合物(VOC)含量测试,检测出有机磷(如沙林毒气);又可应用至甲醛(福尔马林)含量监测,检测室内环境VOC的含量。其他常见气体类测验,包括高浓度二氧化碳气体监测,进行工厂排放等气体分析;而水含量的可视化监测,可进行封装及纤维等湿气含量测试。

4、压力敏感材料

此外,AIE可作为压力敏感材料,可以为飞行器进行风洞实验。风洞是一种产生人造气流的管道,专门用来研究物体在气流中,产生的气动效应以及进行耐热抗压实验等,测量飞行物体与空气相对运动所受到的阻力,精准度提高,飞机安全度相应提高。至于作为微压力敏感的材料,细致之程度,足够检测细胞运动。

最后是应用至有机底物,葡萄糖选择性识别与监测、氨基酸选择性识别与检测和爆炸物选择性识别。

(三)高分辨率和对比度的成像和示踪材料及器件

随着人口老龄化,人们对健康要求提高,医疗健康、生物、制药等领域有庞大的需求,AIE可以将微观过程和治疗模式等以可视化和动态监测形式展现,立足精准医疗,整体提高人民生活质量。

1、线粒体成像和示踪

精密度高的AIE,可为存在于细胞中的线粒体制造成像和示踪检测,线粒体可说是细胞中能量工厂,是人体一切动力的来源。由AIE进行成像,线粒体的荧光颜色可调,区分生物体自发荧光,达高分辨率和对比度。技术可应用于科研试剂、病理研究和药物筛选,实验包括将正常与患者线粒体形貌对比,藉以确定是否原发性疾病;或进行特定过程的监测,确定该过程的核心步骤;至于药物,可以比较服用药物前后的线粒体变化,协助医驾人员确定药物是否有效;医疗人员更可就特定细胞进行活性检测,而不是从身体抽取出来已无生命的细胞,直观动态成像,作出最佳的病情判断。

2、治疗癌症新希望

以令人闻风色变的癌症为例,AIE的精准医疗,为治疗癌症带来新希望。首先是协助医生从线粒体区分出癌细胞,及早筛查出癌症,我们又发现一种AIE材料,可以精准地追踪四处逃窜的癌细胞,在癌细胞中聚集发光,却对正常细胞视而不见,这种能力有机会成为未来早期诊断癌细胞的新手段。在治疗的过程中,AIE可对肿瘤或癌细胞等组织进行长期追踪和显影,亦可对即使极微量的化学品进行高灵敏度的检测、预报及控制。

在动手术时,犬牙交错的肿瘤边缘,为医生切除过程带来严峻的考验,因为切除不净,会留下复发的隐患,如切除过多,又会让病人遭遇不必要的伤害。对此,使用AIE材料进行细胞器成像,只有一毫米大小的肿瘤,都可以通过荧光精准呈现,医生可精准地只切除癌细胞。我们已经在大动物身上开展了AIE用于手术荧光导航的初步实验,并取得了很好效果。

3、细菌病毒快速测试

除了癌症,细菌、真菌、病毒的快速诊疗,都是医疗界渴求的技术,目前的行业痛点是难以靠形貌去辨认细菌、病毒,如每次化验都要依靠孵育,时间太慢,病毒传播不等人,大型爆发,后果堪虞。如以AIE为材料的细菌阵列传感芯片,可区分细菌、真菌的种类;而AIE双通道精确定性定量分析,检出病毒准确率可达99%。我们进行过的实验包括检测寨卡病毒。

4、检视毛细血管

血管闭塞是另一个引致严重病症的原因。近/远红外AIE点成像,其高亮度可为血管进行超深度成像,通过非侵入式快速逐层扫描及三维建模,窄小如4.4微米毛细血管的情况和血流速度,都可以被显示出来,医生可了解血液的黏度,从而为潜在血栓定位,防止中风。

5、光声/光热复合诊疗

虽然AIE材料在生物应用,主要是善用其荧光颜色或强度的变化,但稍为修改其分子设计,可以赋AIE材料分子多种功能,例如在荧光导向的化学治疗上,AIE材料既可作为荧光示踪剂,更可以作为癌细胞的治疗药物,在光声成像导向的光热治疗方面,溶液中的AIE材料具有更多的分子内运动,使其激发态能量以热的形式释放,实现高效的光声成像和光热治疗,简化诊疗程序,应用材料一体化。

6、百分百中国原创

归纳以上三大范畴的应用,场景连结能源、空气、水源、食物、医疗、健康,跟人们的生活息息相关。AIE一方面为现有技术提供更好的材料体系,切实提高成像品质,同时实现手术导航定位精准切除,将诊断与治疗一体化。重点是专利权属于我们,可打破国外的垄断,因为全球大部分商业化生物荧光探针都是传统的ACQ材料,其知识产权由国外企业把控,价格昂贵且效率远不如AIE材料。中国原创的AIE拥有长效、稳定、成本低,普惠性强的优势;我们期望将其成果产业化,切实为改善人民的医疗条件贡献力量。

我本身毕业于华南理工大学材料科学与工程学院,AIE高等研究院亦设于华南理工大学,我以黄埔军校的精神定位这所「黄埔实验室」。因为当中有一流的基础科学人才及应用技术型能手,不以文章考察人的能力,重点以应用型产品为导向,闯出一条真正中国特色的、世界公认的,从原始创新到应用转化的新路。以AIE材料学研究为基石,不断向外拓展生物学、医学、环境 学等应用,整合设备制造、智能分析和大数据云平台资源等,带领中国由制造走向创造,切实满足人们生活生产需求,打通科技成果转化落地的最后一公里。

五、未来计划:技术落地的三大方向

(一)高效率光电转化材料和器件

目前行业面临的问题是设备买得起,材料则被国外垄断,价格高企;拟从以下四步骤开发应用。

第一步:OLED材料筛选

筛选合适的AIE材料体系及匹配材料等稳定性评估,明确专利所属权和技术转移分配,包括发光材料类、匹配空穴电子材料类、阴阳极材料类等,尽量避免商用专利干扰。

第二步:产线性能评估及工艺初步参数确定

采用工业器件结构,制备大尺寸和顶发射器件,从而取得产线性能分析,得到重复性高及稳定的数据参数。

第三步:中试生产线参数及连续性能评估

筛选材料批量合成与纯化,获取大规模生产线工艺参数,用作考虑融资等商业化操作的基础。

第四步:孵化企业

与OLED企业签订采购合同,完成进口产品替代。

(二)高灵敏度的智能传感材料和器件

行业面临问题是核心检测材料具选择性,以及配套检测设备和耗材脱节,实落要分三个阶段进行。

第一步:确定应用场景及材料选择和测定对象形式

进行专利调查及转移。场景包括:玻璃化转变温度的确定;食物农残含量测定,如金属,有机物等;环境中VOC(如甲醛等)的监测;特定疾病的靶向物监测,如全血、血浆、组织切片等。

第二步:配伍AIE材料体系与检测手段及形式

建立全球AIE材料及性能平台及专利库,筛选材料体系及验证,肯定其重复性和稳定性;常规光学检测方式配伍,如气态/液态;折射率/光强/光色;自动/手动等;光谱采集及算法优化软硬件,包括图像识别、高光谱分析、云端数据传输等。

第三步:初步集成及样机稳定性测试及反馈

当技术成熟度及市场估值显着,可以孵化和融资等商业化操作。

(三)高分辨率和对比度的成像和示踪材料及器件

目前行业面临的问题,是生物荧光探针领域,包括高附加值和关键性材料被垄断。

第一步:针对不同生物应用场景筛选材料体系,进行专利筛选及传递

完善全球AIE材料及性能平台及专利库建立,筛选材料体系及验证;集中开发选择性细胞器示踪探针、双光子及远红外探针、纳米粒子及相关包覆技术等。

第二步:批量生产生物探针及稳定性控制,试剂包装、贮存运输等技术

稳定批量有机荧光量子点制备,包括:微流控技术、涡流循环技术、挤压技术的设备开发。就不同形态,如固态、液体、悬浮液的产品,控制其稳定性,调节合适的贮存条件、包装形式及冷链运输方案。

第三步:生物探针市场培养及推广

现已成功销售予深圳艾伊津有限公司及 Sigma-Aldrich公司。其中艾伊津生物科技,是第一家公司获得科大专利授权,基于生产AIE材料,提供创新的生物成像方案,以解决现有商业荧光材料所面临的种种问题。

第四步:建立专属耗材大型仪器的开发及分析平台

一方面建立超高深多光子成像系统及光学平台,另一方面成立临床检验技术转化中心。

(四)专用试剂及设备的开发

由于有些行业的特殊性,诉求独特,普遍性的试剂设备难以介入;AIE材料灵活多变,可以应用至以下三个特殊行业:

1、高分辨率指纹采集材料及快速甄别技术

固态指纹粉已进入市场推广,合作伙伴包括刑侦科技产品商广州市鹰洲科技有限公司;其他同类产品还有:喷雾式指纹泡沫及长波段指纹激发材料,可避免UV灯激发,保障警员安全;以及傻瓜式稳定采集系统及云端链接和快速甄别系统。

2、冲拭潜血识别材料及图像采集系统

产品包括可大面积喷洒的潜血识别泡沫,价格低、无毒,更可选择性成像,适用于人源与动物源;另外,我们与中国政法大学证物中心合作,开发持久性显示及高分辨率成像。

3、基于AIE材料的毒品传感芯片及快速分析仪

检测醉酒驾驶的工具很普及,然而毒后驾驶的祸害不比醉驾低,却没有实时的吸毒测试剂,为道路安全带来危机。采用AIE材料,配合核酸适配体与特定种类毒品的选择性结合,可验出海洛因、吗啡、可待因等;另外,阵列式毒品传感芯片及数据采集系统的开发,可从血液、呼气或体液测试司机有否吸毒。在捣破毒犯的现场,由AIE材料发展而来的设备集成,以及相关便携化和耗材研制,方便实地调研。

总的来说,将AIE材料从产品转化为真正落地的应用方案,「新材料」及「新设备」要两条腿走路。一方面拓展AIE原料和试剂等高附件值的商品的销售领域和渠道,打破国外品牌在荧光探针领域的垄断地位;同时,在现有设备基础上,开发可替换国外产品的检测耗材和试剂盒等,走出国外控制检测领域相关长期耗材的困境,改变「以药养医」 的策略,争取未来竞争的主动权。

在新设备方面,重点围绕AIE研究和应用所需的设备,整合材料制备、采集数字 化、检测分析和设备集成等领域的资源,系统开发出具有实际应用功能的AIE专用设备,取代目前市场占有的外国品牌,并通过自主培养和成立联合实验室等策略,加快现有检测设备更新换代的产业化力度。

将AIE产业化的合作模式有三:一是成立联合实验室计划,适合有长远投资计划,乐意共享成果的投资者;其二是股份合资公司模式,以明确的项目及清晰股比分配,建立合作关系;三是特定AIE项目支持,以产出量为明确目标。

关于香港科大EMBA|中英双语课程

香港科技大学自1991年创校以来,在短短二十几年时间里,已跻身世界顶尖大学之列。香港科大商学院是拥有国际地位的著名商学院,研究实力及多项课程在世界排名中均位列前茅,金融时报评选中凯洛格-香港科大EMBA课程连续9次位列全球第一,全球MBA课程连续3年排名全球二十强,泰晤士报全球年轻大学排名中香港科大连续3次位列亚洲第一。

香港科大EMBA中英双语课程为亚洲及大中华地区行政人员、企业家而设,致力于全面提升学员的综合领导管理能力,培养具有创新精神和全球视野的国际化人才。自2002年开办以来,香港科大EMBA中英双语课程将世界最前沿的管理知识和中国管理实践相结合,并融合香港中西合璧的独特文化和管理经验,为亚洲及大中华地区的企业家及高管提供了一个跨越地域和文化界限的终身学习平台。课程将在16个月内,通过9个核心模块、3个进阶提升、4个大洲环球游学模块、3个层面提升领导力等,为学员展现一张完整清晰的学习蓝图。

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