顛覆性新方法：助力生物細胞內部探索和新型LED生產領域

材料牛注：一直被我們奉為圭臬的化學定律竟然是不全面的？這是多么驚人的發現。科學家發現了一種新的產生光的方法就顛覆了Kasha's Rule，這種新方法還有可能幫助我們了解細胞內的液體粘度和制造新的LED燈泡，多么神奇，讓我們先看看吧。

近期，佛蒙特大學（UVM）和達特茅斯學院的科學家團隊發現，一些分子可以通過一種新奇的方法發射出強烈、明亮的綠色冷光。

佛蒙特大學共同領導這項新研究的化學家Matthew Liptak表示：“這種光是用一種新的方法產生，用這種方法甚至可以感知一個細胞內的粘性。”這種新奇的光可能會有許多有前途的應用，包括新型LED燈泡和醫學染料技術。”這一發現于9月26日發表在Nature Chemistry雜志上。

新視野

為了了解這種新奇的光是如何產生的，科學家使用了楓糖漿進行實驗。這是一種粘稠的液體。在化學家Ivan Aprahamian領導下，達特茅斯的科學家探索了一些稱為分子轉子的奇特分子，這些分子外形如同獨木舟的葉片繞軸轉動（這是比頭發還細幾千倍一個很小的軸）。在一個稀薄的液體（比如說水）中，這些旋轉分子團——一種含硼的的染料，會發出微弱的紅色熒光。

然而，當科學家們把旋轉分子投放到越來越濃稠的類楓漿狀溶劑（比如說甘油和乙二醇的混合物）中時，從這些分子轉子中發出的熒光并沒有變弱，和預期的情況不一樣。相反，這些分子發出了光譜中接近藍色末端的鮮亮的綠光。

計算化學專家Liptak表示，這非常令人驚訝。因此，達特茅斯的研究團隊轉向Liptak和他的學生們，以尋求原因。佛蒙特大學研究團隊在佛蒙特州先進計算中心（VACC）對實驗結果進行了模擬。而且，兩個研究團隊利用光譜和其他實驗手段進一步研究了這種奇特的分子。終于，他們獲得了一個更令人驚訝的發現：這種光的激發條件打破了一直被人們視為圭臬的化學定律——Kasha's Rule。

Liptak說：“我們發現了之前不知道的宇宙運作的新方式，這是自然規律的特例。”

世界的色彩繽紛是因為分子按照量子力學的“幽靈”規則吸收和放出不同顏色的光。在大多數情況下，一個分子會吸收特定波長的光，我們可以在色環上看到這種光的互補色。在某些情況下，吸收光后的分子會在短時間內激發一個特定顏色的光，從而實現“在黑暗中發光”，這就是冷光。

1950年，著名化學家Michael Kasha觀察到發冷光的分子通常會發出相同顏色的光，和它最初吸收的光的顏色無關。Liptak解釋說，這是因為吸收光的第一步是分子弛豫（分子的快速振動、伸展和熱釋放），從而獲得分子的最低能量激發態。因此，當一個典型的發冷光的分子吸收更靠近光譜的藍色端、能量更高的光時，它只會產生更多的熱量，而不是更明亮或者發出不同顏色的冷光。這就是Kasha's rule。

更多的光

在美國國家科學基金會的支持下，UVM/達特茅斯學院的研究團隊發現當特殊旋轉分子在一個濃稠的溶液中時，其振動能力會被限制，所以它們是在完成振動之前發光的。這是因為轉子的槳狀部分必須可以自由旋轉，開啟化學反應以釋放熱量。但是，由于分子處在濃稠的溶液中，這種旋轉被抑制。溶液越濃稠，分子槳旋轉越慢，這樣就可以發出更多的光。這就是為什么研究團隊將他們的發現稱為Suppression of Kasha's Rule，或簡稱為SOKR（發音為“soccer”）。

UVM化學系的助理教授Liptak解釋說：“可以這樣理解SOKR：一個水池容器有兩個出水口，一個出水口位于遠高于水池的位置，另一個出水口和水池水平。在低粘度的液體（比如說水）中，劃水板沒有來得及使液體發生飛濺，便快速沖入底部出水口。在高粘度的液體（比如說楓糖漿）中，劃水板行進的速度很慢，由于自身旋轉使一些液體溢出，在頂部出水口形成瀑布，在這種情況下，發光的分子轉子就產生了明亮的綠光。”

有用的光

這一新的產生光的途徑有可能具有實用價值。一位UVM博士生Morgan Cousins和其合著者聲稱：”我們所發現的化合物是非常活潑的，并且由于其對粘度的敏感性，可能具有廣泛的應用。我們考慮將這種分子的應用從工業材料推廣到新型LED的制造甚至生物醫學成像領域。

如果涉及到細胞學科，細胞內的許多部分（從內質網到線粒體）有不同的功能，而且據推測它們也有不同的粘度。但對于細胞內粘度我們所知道的太少，而這些熒光旋轉分子可能會給予我們幫助。Liptak表示，新發現的分子直接應用在人體上是不安全的，所以研究團隊目前正在尋找具有“生物相容性”的化合物。在細胞內黏度越大、水介質越少的部分，旋轉分子會發出更明亮的光，這可以被納入醫學染料或其他類型的測試中。該分子可以作為一個敏感的診斷工具，因為它們基于所處液體的粘度可以精確地改變發射光的強度。

Liptak表示：“粘度是生物系統的一個基本性能，然而我們目前對其所知甚少。”但這個新的發現為此領域的研究帶來了新的曙光。

原文鏈接：A rule of chemistry suppressed: Promising new ways to look inside cells, make LEDs。

文獻鏈接：Suppression of Kasha's rule as a mechanism for fluorescent molecular rotors and aggregation-induced emission。

本文由材料人編輯部楊浩提供素材，宋金磊編譯，萬鑫浩審核。點我加入材料人編輯部。