综述：向植物传递的聚集诱导发光效应：源自植物的发光物质及其在可持续农业中的协同应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Aggregation-induced emission toward plants: Plant-derived luminogens and synergistic materials for sustainable agriculture

AIE材料通过抑制分子内运动解决传统荧光探针的聚集诱导淬灭问题，具有高量子产率、耐光性、生物相容性，应用于光合增强、光催化植物保护、高对比度生物成像及环境污染物检测。

　　

杨晓鹏|王海阳|胡静岩|张世一|孙凯|魏月伟|沈洪涛|叶勇|季晓明

河南农业大学烟草科学学院，郑州450046，中国

摘要

植物对人类生存至关重要，因为它们维持着食物系统，调节气候，并为生物经济提供能源。人口增长、气候变化以及土地和水资源日益减少所带来的压力揭示了关键的脆弱性。因此，精准农业变得至关重要，需要实时、无损地监测并敏感地检测病原体、营养物质和污染物。传统的分析和成像方法通常需要破坏性采样，并且空间和时间分辨率不足。此外，使用传统荧光团的光学读数受到组织自荧光、光散射和聚集引起的淬灭（ACQ）的限制。聚集诱导发射荧光团（AIEgens）通过限制分子内运动，从而实现高量子产率、改善的信噪比、较大的斯托克斯位移、出色的光稳定性和从可见光到近红外区域的可调谐发射，这些特性非常适合用于浑浊的植物组织。本文综述了AIE技术在植物科学中的进展，详细介绍了其基本设计原理和光物理机制，以及从植物代谢物衍生的可持续AIE平台、作为生物相容性载体的植物来源纳米囊泡和光动力产氧系统。还涵盖了从增强光合作用到光激活抗菌保护、先进生物成像和现场可部署传感等应用。本综述旨在提供战略指导，以激发利用智能AIEgens促进可持续农业系统和提高粮食安全的兴趣和创新。

引言

可持续农业处于三个相互关联的全球挑战的交叉点：粮食安全、气候变化和环境保护[1]、[2]。预计到21世纪中叶，全球人口将超过100亿，因此农业系统必须提高生产力，保护日益减少的水资源和土地资源，减少生态足迹，并适应日益增加的气候变化[3]。植物在这些努力中发挥着核心作用，作为基本的生产者，维持食物链，调节大气气体，并提供可再生资源[4]、[5]。因此，提高作物抗逆性、优化资源利用效率以及实现早期检测压力因素对于发展稳健和可持续的农业系统至关重要[6]、[7]、[8]。

传统的监测植物生理、病理和环境相互作用的方法，包括色谱法、质谱法、聚合酶链反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）、电化学传感器和光学成像，往往在灵敏度、侵入性和空间时间分辨率之间存在权衡[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。尽管这些技术具有高特异性，但它们通常劳动密集、具有破坏性，不适合实时、原位分析[16]、[17]。此外，有机荧光探针（如荧光素、罗丹明和花青素染料）受到聚集引起的淬灭（ACQ）的影响，这大大限制了它们在光学密集和异质环境（如植物组织、土壤和食品基质）中的有效性[18]、[19]、[20]、[21]。因此，ACQ引起的信号损失、较差的光稳定性和不利的信噪比限制了它们在精准农业中的使用[22]、[23]。

聚集诱导发射（AIE）提供了一种革命性的替代方案，这是一种首次在2001年发现的光物理现象[24]、[25]。与易受ACQ影响的荧光团不同，AIE荧光团（AIEgens）在溶液中发射较弱，但在分子聚集时由于分子内旋转和振动（RIR/RIV）受到限制而表现出强烈的荧光[26]、[27]、[28]。这种独特的机制赋予AIE材料多种有益特性，包括较大的斯托克斯位移、高固态量子产率（QYs）、出色的光稳定性、从可见光到近红外区域的可调谐发射光谱，以及与复杂和浑浊介质的出色兼容性[29]、[30]、[31]、[32]。这些特性使AIEgens特别适合用于植物科学和农业应用。

AIE光子学与植物科学的结合为可持续作物管理开辟了新的途径[33]。植物本身是AIE活性分子的丰富来源，其次级代谢物（如生物碱、黄酮类、萜类和木质素衍生物）要么本身具有AIE特性，要么经过化学修饰以产生AIEgens[34]、[35]。这些植物来源的材料具有生物相容性、生物降解性和通常内在的生物活性[36]。此外，植物来源的纳米囊泡（PDNVs）已被开发为AIEgens的生物相容性载体，实现靶向递送、增强细胞吸收和光触发的产氧，用于光动力疗法（PDT）等应用[37]。

AIEgens作为功能性材料显示出巨大的潜力，可以直接提高植物性能。这些材料通过将未充分利用的阳光波长转化为光合作用活跃的辐射，从而提高作物和微藻的光合效率[38]。此外，它们光激活产生活性氧（ROS）的能力提供了一种创新的、无抗性的方法来控制病原体、消毒种子和进行采后保护，减少了对传统化学农药的依赖[39]。AIEgens的独特光学特性使其非常适合用于植物的高对比度生物成像。它们的AIE效应有助于可视化细胞壁、膜、细胞器和导管等亚细胞结构，即使在自荧光较高的环境中也是如此[40]。这种能力使得能够实时研究植物生长、营养运输和应激反应。此外，AIEgens在荧光传感平台中也非常有用，可用于检测农业相关的分析物，包括活性分子、植物激素、金属离子、农药残留物和环境污染物[39]、[41]。这些传感器具有高灵敏度和选择性，并具有现场可部署、实时监测的潜力，有效弥合了实验室分析和原位表型分析之间的差距。

本综述综合了AIE光子学与植物应用交叉领域的最新进展，强调了它们在可持续农业中的革命性潜力（图1）。首先探讨了AIEgens的光物理机制和设计原理，强调了它们对复杂植物环境的适应性。接着探讨了从植物代谢物和PDNVs衍生的可持续AIE平台，以及结合生物合成与光电功能的混合系统。对包括光合作用增强、光激活植物保护、先进生物成像和敏感分析物检测在内的应用进行了关键评估，并与传统技术进行了性能对比。讨论最后讨论了转化挑战和机会，包括生物相容性和生态毒理学评估、现场条件下的稳定性、可扩展制造、监管考虑以及与数字农业和精准农业基础设施的整合。通过结合光物理学、植物生物学、材料化学和农业技术的见解，本综述旨在促进跨学科创新，并为开发AIE驱动的解决方案提供路线图，以推进全球农业的可持续性。

部分摘录

AIE概述

AIE现象最早由Tang等人在2001年描述。这一现象展示了分子聚集时发光的矛盾增强，这与许多系统中观察到的传统ACQ现象相反[24]。典型的AIE系统，包括四苯乙烯（TPE）、电子缺乏的四苯基吡嗪（TPP）、三苯胺（TPA）、席夫碱、喹啉-马来腈衍生物、碳点和金属纳米簇，在稀溶液中表现出弱发射

来自植物的AIEgens

在过去二十年里，大量研究致力于AIEgens的开发[26]、[53]。然而，这些材料的合成主要依赖于复杂的多步骤方法和劳动密集型的纯化过程[68]。这样的合成方法限制了AIEgens的结构多样性和物理化学性质。此外，高生产成本、环境问题、有限的生物相容性和较差的降解性阻碍了它们的更广泛应用

用于增强光合作用的AIEgens

工业革命开启了一个以化石资源为主要能源的能源消耗时代[157]。这种依赖导致了大量的二氧化碳（CO₂）排放，加剧了全球变暖，对地球上的生命生存和可持续发展构成了严重威胁[38]。作为回应，包括欧洲、韩国和中国在内的多个国家承诺在2060年左右实现碳中和[158]。同时，快速

结论与展望

本综述总结了AIEgens与植物系统整合的最新进展，强调了它们在可持续农业中的变革潜力。AIEgens的独特光物理特性，包括抗ACQ性、较大的斯托克斯位移、高光稳定性和出色的生物相容性，使它们特别适合复杂的植物基质光学和异质环境。值得注意的是，从

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32300342）的财政支持。