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。

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，使分子在聚集态下，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。

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。

是一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。

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：

1. 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。

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。

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，新理论创新与发光能级充分利用，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。

2. 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。

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。

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。

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。

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。

3. 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。

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，协助医护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。

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。

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。

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。

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。

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，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。

未来计划：技术落地的三大方向

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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：

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。

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。

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」 的营策略，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；并三是特定AIE项目支持，以产出量为明确目标。

朱：AIE接触式检测跟现时以光谱取样的方式，两者有何不同？

唐：如以AIE材料检测，接触式及非接触式都适用。例如套取犯罪现场的指纹，可直接将AIE纳米材料喷在墙上，显现出黏黏的地方，方便找出有指纹的范围，然后再以传统接触式的光谱取样，照向可疑处，套取指纹。

朱: AIE的分子发光时长有多长？过程需要外来的能量来发光吗？

唐：AIE材料有时是不需要外来能量而可自行发光的，有些则需要外来灯光激发，如进行手术时，手术室内都可配合不同颜色的LED光，根据我们的研究，蓝色、绿色光源均可激发AIE材料闪闪发亮。

朱：在识别病毒上，AIE的用途，究竟是用在「显示」上，还是「检测」上？

唐：「显示」还是「检测」，可说是一个课题的两个说法。例如有人擦伤了手，伤者并不知道伤口有没有细菌，用AIE材料查看发现有细菌，既可「显示」又是「检测」，并且可以用可视化的方式显示出来，加上光声成像导向的光热治疗的研发，可激发溶液中的AIE材料，以热的形式释放，实现光声成像和光热治疗，检测及治疗更可以一体化，合并完成。近期疫症蔓延，不论染病与否，所有人都要配戴口罩，假如有快速显示及检测，将病毒可视化，许多不必要的防护措施都可省略了。

朱：请问教授，发光的特性，主要是用于与人的肉眼观测进行交互吗？还是可以设置成被机器检测到从而被发现？

唐：一般人的眼睛可以感知的电磁波频率在380至750THz，波长在780至400nm之间，这个范围中的电磁辐射被称为可见光（Visible light），或简单地称为光。AIE材料的发光特性，可见光部分固然可给肉眼看见，超越可见光的范围，则可配合仪器，例如红外线传感器（Infared）等侦测，二者配合，提高准确度。

朱：AIE能应用至比细胞器更微的观察吗？如显示蛋白质大分子的动态？

唐：可以，应用至蛋白质大分子完全没有问题，应用至DNA (脱氧核糖核酸)

及癌症靶向性标记 (Biomarkers)等极微小分子，都可以发挥效用。

朱：在未来五至十年，你认为AIE在哪一个领域的发展最具应用潜力？

唐：从科研到产业化，投资者愿意长时间投资，耐心地测试产品，待效果成熟再推出市场，过程殊不简单。如要将AIE技术产业化，我认为从小型照明工具起步，是最快和较容易的，因为光电物料器材的政策规管较少，一般商品只要性能好、价格相宜即可投入市场。进一步的应用是环保检测相关的系统，污染物、食物有毒与否、新鲜度等都是大众最关心的项目，社会需求大；最后是生命科学类，有关体内检测的规管非常多，我们可以从体外检测入手。我希望通过是次讲座，接触科大EMBA的学员，跟各行业的精英擦出火花，寻找合作的机会。

朱：从科研到产业化，成为千家万户认识的产品，中间所需的投资、时间、耐性的确不容易，而科研人员跟投资者之间,更是互相成就的微妙关系。

朱：目前AIE在医疗检测试剂中有哪些应用？短期内有哪些应用场景是突破点?

唐：在医疗中的应用场景非常多，我特别希望技术应用至癌症检测。癌症肿瘤不难识别，但分散在肿瘤附近的癌细胞却难以用肉眼识别，现行治疗方法是把好与坏的细胞都通通切除，效果并不理想。如采用注入特殊的AIE材料，材料见到癌细胞就会钻入其中，闪闪发光。发光的AIE材料对癌细胞形成追踪功能，方便医生甄别，进行更为精准的操作，也可用于癌症的早期筛查工作，发现癌细胞的行踪。