人们研究荧光的历史可以追溯到16世纪中期。在这个时期，科学家们已经观察到了溶液态下的奇特荧光现象，包括肾木的浸出液，叶绿素的乙醇溶液以及硫酸奎宁的水溶液等等。自19世纪末以来，固体无机盐的发光现象也陆续进入到人们的视野，特别是对于四氰基铂酸盐和硝酸铀的研究，开启了人们对聚集态下物质发光性质的探索。同时，科学家们也注意到了这些发光物质在溶液态和聚集态下荧光性质的差异（图1），但缺乏对它们构效关系和潜在机制的深入理解。2001年，唐本忠院士课题组发现噻咯分子在聚集态下的发光远远强于其在溶液态下的发光，由此提出了聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)的原创概念（图2），并在机制研究和应用拓展方面做了大量的突破性工作。
图1 瑞士物理学家Eduard Hagenbach在1873年发表的文章总结了物质聚集对发光性质的影响
图2 硫酸奎宁的聚集导致猝灭现象和四苯基乙烯的聚集诱导发光现象
鉴于AIE分子在聚集态下优越的荧光性质，包括高亮度、大斯托克斯位移以及抗光漂白特性，当它们制备成AIE纳米颗粒时，可以实现从细胞、组织到活体动物各个层次的生物成像。基于分子内运动受限理论（Restriction of Intramolecular Motion, RIM），通过调节分子间的作用力来提高AIE纳米颗粒的荧光强度是一种十分理想的调控方法，因为它适用于所有的AIE分子。然而，对于如何控制分子间作用去提高AIE纳米颗粒的亮度，目前尚缺乏对该研究领域进行系统的总结。
图3 纳米结晶工程和基质辅助硬化制备高亮度AIE纳米颗粒的示意图
作者总结了通过纳米结晶和基质辅助硬化两种方法来制备高亮度AIE纳米颗粒的最新进展（图3）。纳米结晶方法包括自然老化、超声增强结晶和纳米限域结晶。而实现AIE分子的基质辅助硬化所用的材料主要包括蛋白质、刚性聚合物基质和二氧化硅。
基于RIM规则，有序排列的AIE晶体理论上能提供最刚性的环境以提高自身的光致发光量子产率(PLQY)。这种性质可以在很多具有结晶诱导或增强发光的AIE分子体现出来，比如BpPDBF、CMVMN和TPE-BBT（图4）。晶体中增强的分子间相互作用可以大大抑制AIE材料的分子运动，从而使辐射跃迁占据主导地位以提高PLQY。在实际快速制备AIE纳米颗粒的过程中，动力学控制下形成的AIE聚集体的堆积总是不规则的，导致结晶度和荧光效率变低。因此，AIE分子的纳米晶体工程是一种提高AIE纳米颗粒亮度的有效方法。通过自然老化，AIE分子在有机溶剂/水混合物中形成的无定形聚集体可以自发演变为更稳定的晶体（图3a）。但该方法往往只适用于少数AIE分子，并不具有普遍适用性。AIE无定形纳米聚集体向纳米晶体的演变是一个动态过程，涉及到AIE分子的溶解和溶解的AIE分子再沉淀从而实现分子堆积的重构，因此这个过程需要提供适当的外部能量供给。而超声则是常用的加快AIE分子结晶过程的手段，由此得到的AIE纳米晶体能实现更高质量的生物成像（图3b）。在纳米结晶过程中，晶体的尺寸控制是非常棘手的。虽然超声手段可以加快纳米结晶过程，但奥氏熟化的过程会降低AIE纳米晶体的胶体稳定性，长期放置后最终导致微米级晶体的形成。特别是AIE纳米晶体在复杂的生物环境中作为荧光成像试剂时，很可能会因为没有任何表面修饰而在尾静脉注射后在血液中被快速清除。因此，引入具有生物相容性的表面活性剂来包裹AIE纳米晶体对于生物应用是十分必要的。图5c则显示了在一种常用两亲表面活性剂存在下制备AIE纳米晶体的过程。
图5 （a）自然老化、（b）超声增强结晶和（c）纳米限域结晶的典型案例
2. 基质辅助硬化
除了通过结晶来增强AIE分子之间的相互作用，通过基质辅助硬化的方法也可以限制AIE分子的分子运动来提高AIE纳米颗粒的亮度。同时，所使用基质的生物相容性对于在生物体系中的生物应用是至关重要的。在这个要求下，内源性生物大分子是作为基质材料的首选，例如蛋白质。在图6a中，TPEPy在与胎牛血清蛋白结合之后，其荧光强度大大提升。此外，人工合成的聚合物基质具有丰富的化学多样性，非常适用于制备高亮度水溶性AIE纳米颗粒。常用的聚合物基质，例如DSPE-PEG和F-127，被广泛用于包裹疏水的AIE荧光染料。然而，在大多数情况下，这些聚合物基质难以与纳米颗粒内部的AIE分子发生强烈的相互作用，弱的RIM效应进一步导致了AIE纳米颗粒荧光亮度的降低。因此，刚性的聚合物基质可以提供一个具有强RIM效应的微环境以制备发光性能优越的AIE纳米颗粒，如图6b中显示的聚苯乙烯纳米颗粒。另外，基于二氧化硅的纳米颗粒在生物成像中被广泛使用。由于其优越的生物相容性和可控的结构，二氧化硅纳米颗粒在荧光成像试剂的开发中扮演着重要角色。其中，基于二氧化硅开发的核壳荧光纳米颗粒Cornell dots，目前正在进行黑色素瘤成像的II期临床试验。实验数据证明，二氧化硅纳米颗粒中的刚性环境显著抑制了非辐射跃迁过程并提高了染料分子的荧光亮度。因此，将AIE分子引入到刚性的二氧化硅网络中可以制备具有高荧光效率和良好光稳定性的AIE纳米颗粒（图6c）。
图6 通过（a）蛋白质、（b）刚性聚合物基质和（c）二氧化硅实现基质辅助硬化
在分子水平上，调整AIE分子的供体、受体和π桥为构建高亮度的纳米颗粒提供了许多可能性。更重要的是，AIE纳米颗粒的最终亮度也是由聚集态分子堆积结构中的分子间相互作用决定的。这种在聚集体水平上的探索对于深入了解微观分子堆积如何影响宏观发光性质具有重要意义。纳米晶体可以限制AIE分子的运动以提高所制备纳米颗粒的亮度和光稳定性。本文阐述了多种策略，但是仍然没有一种完美的方法可以解决所有存在的技术难题。例如，超声制备纳米晶体是一种具有普适性的方法，但该过程的前提是需要得到AIE晶种，然而并不是所有AIE分子能通过实验手段获得高质量的晶种。此外，制备纳米晶体的策略也可以应用于有机室温磷光材料，具有室温磷光特性的纳米晶体能够大大提高生物成像的信噪比。AIE分子在生物环境中的分散性依赖于两亲性基质的使用，增强基质与AIE分子之间的相互作用是提高其荧光发射效率的有效策略。然而，直到现在，由于充足的市场供应和易用性，DSPE-PEG和F-127仍然是制备AIE纳米颗粒时最经常使用的聚合物基质。虽然使用刚性基质可以提高AIE分子的荧光强度，但这些基质的制备合成有一定的技术门槛，从而导致研究人员通常更倾向于使用DSPE-PEG和F127来制备AIE纳米颗粒。因此，未来应该开发易于合成和具有广泛适用性的刚性基质。此外，考虑到所使用基质的生物相容性至关重要，开发生物源性的刚性基质将是未来该领域研究的热点之一。
