“聚集态荧光增强”助力大学有机化学课堂*

张艳荣，涂 琴，汪玉秀

(西北农林科技大学化学与药学院，陕西 杨凌 712100)

农林院校有机化学是多个生物类专业的必修课，以丰富多彩的课堂内容激发学生的学习兴趣显得尤为重要[1]。虽然各种学习视频和媒介层出不穷，但不可否认的是，课本上的知识是最基础的内容，其中许多内容可以通过自学即可掌握，照本宣科地讲解这些，只能是水课，并不利于学生自我学习能力的提升；同时，自主学习是大学生立足信息化社会的必备技能之一[2]。华人数学界的领袖人物，丘成桐先生十分关注国内人才的培养，却抛出一个让人意想不到的结论：“这些年，中国大学的基础教育存在很多问题，大学生的基础水平，尤其是修养和学风在下降”。在本科课堂教学方面，重要的并不是学生掌握了多少具体知识，记住了多少结论，更为重要的是要深层次地理解这些结论是如何被归纳总结出来的。在本科课堂教学方面，让学生学会知其然，知其所以然，将认知上升到一个新的高度，从而将“水课”转为“金课”。另外，现在越来越多的高等院校特别强调教授要走入大学的课堂。其原因之一是教授由于多年从事科学研究，洞悉最新的科研发展前沿，可以为课堂注入新的活力，从而能更好地激发学生的求知欲。

2016年，《自然》一篇新闻深度分析文章将聚集态荧光增强(aggregation-induced emission，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我国科学家原创的新材料体系[3]。笔者从教十年，深深体会到教学与科研相辅相成道理[4]。本人近几年主要研究领域是基于激发态分子内质子转移机理的聚集态荧光增强(aggregation-induced emission，AIE)分子的设计及生物学应用[5]。在此，拟从“聚集态荧光增强”的概念、发现、机理及其生物学应用等方面，阐述它是怎样助力大学有机化学课堂。

1 课堂思政

现在本科教育之所以非常注重课堂思政，就是帮助学生端正人生态度，不忘初心，牢记使命[6]。在绪论部分，本人没有开篇大论讲解有机化学发展史，而是介绍聚集态荧光增强的发现过程。十几年前，唐本忠院士觉得六苯基噻咯(HPS)这一有机分子结构很漂亮，就安排学生去研究一下这种高颜值分子的性质。学生意外发现，HPS分子在溶液中不发光，在溶液挥发后却发出很强的光。这种现象与当时已写入教科书数十年的一个光物理学常识正好相反——(聚集态荧光淬灭，ACQ)。唐本忠院士发表关于AIE现象的论文之后，就有同行遗憾地表示，自己做实验时也曾看到过这种现象，却未深入研究。此时，引发学生思考：到底是什么原因使别的研究者与这一重大发现失之交臂？笔者认为有如下方面的原因：一是没有深入理解荧光产生的本质及影响荧光效率的潜在因素，即基础理论知识不够扎实；二是缺乏挑战传统观念的勇气，没有深入的了解被大家公认的公理的来由。许多重大的发明“看似偶然，绝非偶然”，爱因斯坦曾经说过：“没有侥幸这回事，最偶然的意外，似乎也都是有必然性的。”若没有平时带着目标的思考和学习，怎么可能在偶然中触发灵感，得出破天荒的创新和发现。

2 加深对有机化学键的认识

有机化合物分子中的原子主要是靠共价键相结合的。恰恰正是分子中成键方式的差异，造成了不同有机化合物之间的性质迥然不同。有机化学共价键的类型包括σ和π键。通过σ键连接的两个原子或基团，可以绕键轴自由旋转，σ键不会发生断裂。π键则不然。一般的教材是通过以乙烷和丁烷的对位优势构象和环己烷的椅式构象为典型案例来阐述σ键的旋转[7]。

许多学生对这部分知识的理解只是局限在这样的一个层次，或许还会产生这样的疑惑，这部分知识有什么潜在的应用价值呢？这时向学生抛出这样的问题：同样是发光分子，为何有的是ACQ式孤胆英雄，有的则具备AIE式团队精神，越聚集，越发光！采取蛛丝剥茧的方式向学生阐述。首先深入浅出的介绍荧光的产生原理。接着以HPS为例，阐述AIE的机理，从而加深σ键旋转的概念。HPS在单分子状态下分子构型是个非平面结构，周边的苯环与中心乙烯平面各呈一定的角度，能够围绕σ键自由旋转。而在固态或聚集状态下，周边苯环的旋转也大幅度受到抑制，因此导致了聚集态下荧光的显著增强。基于上述分析，唐本忠提出了分子内旋转受限(restriction of intramolecular rotation，RIR)机制：HPS分子在分散状态下，激发态的能量通过分子内苯环转动这一运动方式消耗掉，就无法通过辐射方式消耗，因此不发光。但当这些分子聚集起来时，分子间错落堆架，苯环运动受限，能量就可以通过辐射途径消耗了，因此越聚集越发光。因此激发态的能量，并不一定会以荧光的形式释放出来，还有多种其他途径，比如激发态分子内键的旋转，也会消耗分子激发态的能量，从而降低发光效率。这时要告诫学生，正如雷锋同志所说，我们要把有限的时间投入到无限的为人民服务中去，而我们要把有限的精力投入到自已的学业中去，将来更好地报答我们的祖国。

最后向学生介绍唐院士课题组是如何进一步确认该机理。他们考察了HPS溶剂的粘度和温度对溶液的发光情况。实验结果发现增加溶剂粘度或者降低溶液温度，也同样能够观测到荧光强度的增加。通过这些的讲解，可以帮助学生逐步建立分析问题、解决问题的能力，体现出素质教育。此时，想学生抛出问题：为什么HPS不是平面分子？同时，引导学生逆向思维模式，假设周围的苯环与中心骨架共平面，将会导致相邻苯环之间的距离太近，以致小于氢原子半径之和从而产生非键斥力。这样，学生会进一理解，减少非键斥力是链状化合物以锯齿状存在的根本原因。笔者认为通过这样的讲解，学生对σ键的旋转会有一个质的飞跃，灵活应用非键斥力解释优势构象的相关问题，到达“温故而知新”和融会贯通的目的。

同时，可以让学生通过查阅文献，了解激发态分子都有哪些去活化的过程呢？比如，常用于治疗皮肤癌的光动态治疗，就是激发态分子的另一种去活化的途径的有效应用。这时可以启发学生，我们用掌握的知识(好比为激发态的分子)为祖国做贡献的方式有很多途径(去活化的过程)，可以根据自身的特点(分子本身的特性)，将自身的价值得到最大程度的有效利用。可以以荧光的形式，照亮周围的世界；可以通过系间穿越，从单线态转为三线态，产生具有高细胞毒性的活性氧，杀死周围的有害微生物，为民除害；也可以通过分子运动，转化为热能，实现光热治疗，温暖人间。

3 深度认识分子间作用力

在阐述AIE发光机理时，提及苯环的旋转受限，同学们可能只是认为从溶液中的单分散态到聚集态，分子可以活动的空间减少了而已，其实并非完全如此。另外一个原因是多种分子间作用力的存在。

在许多教材中，分子间作用力仅仅用来阐明分子结构与分子沸点之间的关系[8]。比如常用分子间氢键和分子内氢键解释4-硝基苯酚和2-硝基苯酚沸点的不同。而分子间作用力，就不是简单地依靠分子球棍模型可以解释清楚了[9]。笔者相信，在连续的不同章节，从不同角度去解释聚集态荧光增强这一现象，将会在学生脑海里呈现出更清晰的画面，认识可以逐渐得以升华。除了在课本里常将的几种分子间作用，还有一些相对较弱的分子间作用。通过Mercury软件，让学生眼见为实，看到各种分子间作用，进一步认识分子是如何聚集起来的。我们可以给出检索晶体cif文件的网址(https：//www.ccdc.cam.ac.uk/deposit/)。下载已报道分子晶体数据，来丰富我们的有机课堂。

我们以四苯基乙烯(TPE)分子为例，做进一步的阐述。在TPE分子结构中，四个苯环以单键的方式连接到中心平面结构的乙烯的两个碳原子上，其中苯环可以围绕乙烯这个定子做一定程度的旋转。因此，TPE分子是非常典型的AIE分子。它在稀溶液中以单分子形式存在，通过分子内旋转运动以非辐射方式衰减到基态。在聚集状态下，由于C-H…π分子间作用力的存在(图1)从而限制了非辐射通道并且开启了荧光辐射路径。

图1 TPE分子中C-H…π分子间作用力

另外，从本人的授课过程中觉察到，很多学生会错误的认为，一种分子之间只会存在特定的几种分子间作用了，从而表现出固定的一种聚集态性质。其实不然。一种分子在不同的结晶环境下，可以通过不同的分子间作用力，导致分子不同的堆积方式，从而在宏观上表现出不同的荧光现象。我们教研室的一名教师就报道过这一方面的研究成果[10]。一系列芴酮衍生物，当分子从甲苯溶解中结晶出来时，主要存在分子间的π-π作用力，从而发射出红色的荧光；然而当分子从二氯甲烷中结晶出来时，主要存在分子间的C-H…O作用了，从而发射出黄的荧光(见图1)。并且，这两种荧光可以在加热或研磨等外界条件下发生相互转变。

4 服务后续课程

在课程内容的安排上，后面的几章内容(糖、氨基酸、蛋白质等等)是为后续课程(细胞生物学)做铺垫。对后续的知识提前有些了解，可以激发学生的求知欲。让学生清楚地认识到，学科之间都有一定的相关性，即领悟交叉学科的重要性。

我们是农林院校，许多学生将来会在分子水平上探索各种生命过程。荧光标记法是一种研究各种生物过程，观测细胞及外界刺激下的细胞响应的重要手段[11]。然而，许多有机荧光团是由大的疏水性稠合多核环构成的，当其分散在生理环境水介质中时，容易聚集，从而产生臭名昭著的ACQ效应。AIE材料为有机荧光团在细胞成像领域的应用提供了新的思路。AIE点具有如下的特点：高荧光量子产率、良好的光稳定性，极好的生物兼容性，使其在深度和长期细胞成像和跟踪方面中具有极大的潜能。

细胞是由多个细胞器组成的，各自发挥着不同的功能，维持细胞正常的生理功能。细胞自噬是细胞生物学中一个新名词。这一过程在1970和2004分别被授予诺贝尔医学奖和诺贝尔化学奖。唐院士课题组合成了原位监测细胞凋亡过程的AIE荧光分子。他们意外地发现带有四个电荷的分子TPE-4EP+在连续光照下，荧光信号会逐渐从线粒体向细胞核区域转移，同时伴随着细胞体积收缩、胞膜小泡状以及形态学变化等细胞凋亡的典型特征。他们把这以过程以视频的形式记录下来。通过这一案例，让学生深刻地体会到有机化学课堂上所学到的知识可以有效地延伸到其他课程中去。

5 结 语

围绕聚集态荧光增强这一发光现象，将这一独特现象的概念、发现、机理的提出与验证及后续的生物应用，贯穿与整个有机化学的学习中，让学生领悟到一个新研究领域的发生、发展及实际应用。如何应用学到的基本知识去理解这一新的概念，又是如何反过来加深我们对这些基础知识的理解。让学生真正地感悟到学有所用，而不会仅仅体现在卷面的高分上。