在新加坡啟奧生物醫(yī)藥園，Chi Ching Goh博士給一只麻醉小鼠注入一個(gè)亮黃色溶液，然后在顯微鏡下觀察動(dòng)物耳朵，打開紫外線開關(guān)后，顯微鏡視野中皮下血管內(nèi)血液發(fā)出綠色熒光，說明這個(gè)溶液可以作為一種活體成像顯色劑。Goh是新加坡國立大學(xué)的博士研究生，她希望用這個(gè)方法作為炎癥時(shí)血管通透性增加的標(biāo)志物，用于診斷瘧疾或預(yù)測中風(fēng)發(fā)生。

這個(gè)方法中注射試劑是用發(fā)光病毒顆粒，這種顆粒直徑大小只有幾十納米，這就是所謂“納米光技術(shù)”，科學(xué)家利用這個(gè)技術(shù)可以靈活調(diào)整光學(xué)性質(zhì)，這種顆粒可以吸收特定波長光線，然后可發(fā)生另外一個(gè)波長光線。許多天然化合物如水母蛋白質(zhì)和某些稀土化合物也具有這種特征。但納米光更穩(wěn)定，有更多特性，也更方便制備，使這種材料在工業(yè)和學(xué)術(shù)界受到廣泛重視。
納米光線也屬于量子點(diǎn)范疇，量子點(diǎn)（Quantum Dot）是在把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)，電子運(yùn)動(dòng)在三維空間都受到了限制，因此有時(shí)被稱為“人造原子”、“超原子”或“量子點(diǎn)原子”，是20世紀(jì)90年代提出來的一個(gè)概念。有些納米光顆粒具有大量吸收低能光子，然后產(chǎn)生少數(shù)高能光子的性能，這樣可以具有釋放多種顏色光線的特征。也可以用聚合物或有機(jī)小分子制造，這樣可以比量子點(diǎn)毒性低。過去科學(xué)家一般習(xí)慣于用紫外線和碳基化合物進(jìn)行這種研究。
Goh使用的這種新材料是新加坡國立大學(xué)的化學(xué)工程師Bin Liu設(shè)計(jì)的，難得的是，這種方案可以讓有機(jī)粒子比無機(jī)粒子發(fā)射的光線都強(qiáng)。

這種材料目前已經(jīng)開始有了應(yīng)用，從新一代電視顯示器到生物化學(xué)分析，科學(xué)家正在對這種材料用于太陽能、DNA序列分析、運(yùn)動(dòng)感知和外科手術(shù)等領(lǐng)域。研究熒光納米顆粒的華盛頓大學(xué)教授Daniel Chiu說，這一領(lǐng)域發(fā)展十分迅速。發(fā)明第一個(gè)量子點(diǎn)的加州大學(xué)化學(xué)家Paul Alivisatos說，這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，而且十分好玩。

現(xiàn)代量子點(diǎn)技術(shù)要追溯到上世紀(jì)70年代中期，它是為了解決全球能源危機(jī)而發(fā)展起來的。通過光電化學(xué)研究，開發(fā)出半導(dǎo)體與液體之間的結(jié)合面，以利用納米晶體顆粒優(yōu)良的體表面積比來產(chǎn)生能量。初期研究始于上世體80年代早期2個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Louis Brus博士和前蘇聯(lián)Yoffe研究所的Alexander Efros和Victor.I.Klimov博士。Brus博士與同事發(fā)現(xiàn)不同大小的硫化鎘顆?？僧a(chǎn)生不同的顏色。這個(gè)工作對了解量子限域效應(yīng)很有幫助，該效應(yīng)解釋了量子點(diǎn)大小和顏色之間的相互關(guān)系，也同時(shí)也為量子點(diǎn)的應(yīng)用鋪平了道路。

新加坡國立大學(xué)Yin Thai Chan說，量子點(diǎn)漂亮的色彩吸引了大量關(guān)注，但是在應(yīng)用方面并不理想。2000年代早期，這種純粹的色彩吸引了許多電視制造商和生物醫(yī)學(xué)研究者。生物醫(yī)學(xué)主要是希望將這種材料用于蛋白質(zhì)和DNA片段的示蹤標(biāo)記。Liu說，量子點(diǎn)有百般優(yōu)點(diǎn)，但有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是毒性比較大。最常見的量子點(diǎn)材料含鎘，有很強(qiáng)的生物毒性。這大大限制了量子點(diǎn)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，一些國家嚴(yán)格限制在家用電器中使用含鎘材料。解決問題的辦法是用鋅和銦代替鎘，后者的毒性相對小一些?；蛘哂蒙锵嗳菪缘亩嗑畚飳⒑k材料進(jìn)行包裹起來。但是毒性仍然讓科學(xué)家在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用倍加小心，如在腫瘤周圍進(jìn)行熒光標(biāo)記識別腫瘤細(xì)胞的外科手術(shù)方法。

量子點(diǎn)的這些局限迫使科學(xué)家從自然材料中尋找納米顆粒。量子點(diǎn)等發(fā)光性質(zhì)決定于材料組成，而非顆粒大小和形狀。這給科學(xué)家降低了制造特定顏色材料的難度，因?yàn)椴恍枰獙⑺胁牧现圃斐掏瑯映叽?，也就是只需要在材料成分上下功夫。在備用材料方面，如?950年代開始就開始研究的半導(dǎo)體多聚物。這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是簡單成分組成，電子可以在其中自由移動(dòng)，但是材料的成分決定只允許某種能量的電子自由移動(dòng)。當(dāng)外部能量如紫外線進(jìn)入這種材料可以將電子釋放出來，這導(dǎo)致材料的能級下降。這種多聚物可以進(jìn)行修飾，以獲得更多特性。例如可以靶向癌癥細(xì)胞和增加水溶性。當(dāng)這種聚合物被組裝成為納米顆?；騊點(diǎn)，其光亮度可以達(dá)到同樣大小量子點(diǎn)的30倍。

用于量子點(diǎn)的半導(dǎo)體聚合物不如無機(jī)半導(dǎo)體穩(wěn)定，但因?yàn)檫@種材料骨架為碳，沒有任何金屬成分，生物兼容性比較好。P點(diǎn)已經(jīng)用于細(xì)胞成像，也用于氧氣、蛋白酶活性或銅離子的分析。2013年，Chiu等報(bào)道P點(diǎn)結(jié)合鋱離子可以探測細(xì)菌孢子釋放的生物分子。在紫外燈照射下，P點(diǎn)發(fā)暗藍(lán)色光，而鋱離子發(fā)微弱綠熒光。當(dāng)這種材料與生物分子結(jié)合后，鋱離子發(fā)光增強(qiáng)為亮綠色，而P點(diǎn)發(fā)光特征沒有變化，后者可以作為內(nèi)參標(biāo)準(zhǔn)。不幸的是，P-dots也有一個(gè)缺點(diǎn)，密切擁擠在一起的聚合物分子會發(fā)生淬滅現(xiàn)象，這種現(xiàn)象導(dǎo)致大部分外來能量迅速消散，無法長時(shí)間持續(xù)激發(fā)熒光。

臺灣中山大學(xué)化學(xué)家Yang-Hsiang Chan說，淬滅是工作效率的重要影響因素，一個(gè)方案是加入一些聚合物骨架避免這些聚合物過于緊湊。但是這會導(dǎo)致顆粒體積增多，增加擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的難度。如何把握平衡是這種工作的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵解決方案的線索最早是2001年被香港科技大學(xué)Ben Zhong Tang發(fā)現(xiàn)的，他們課題組發(fā)現(xiàn)一類有機(jī)物分子只有聚集在一起時(shí)可以發(fā)出熒光，這些分子的形狀類似螺旋槳和紙風(fēng)車，當(dāng)聚合在一起時(shí)由于運(yùn)動(dòng)受到限制，能量損耗減少，用發(fā)光作為釋放能量的方式。Tang已經(jīng)給這種材料命名為聚合誘導(dǎo)激發(fā)aggregation-inducedemission (AIE)，這種分子被稱為AIE基AIE-gens。隨后幾年，Tang和學(xué)生們改變這些分子基團(tuán)，增加一些元素如氧和氮，AIE-gens能發(fā)射從紫外線到近紅外全部波長的光線?，F(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)任意調(diào)整光線，隨時(shí)大量制備的技術(shù)。

2011年，在新加坡材料與工程研究院政府合作項(xiàng)目中，Tang遇到Liu。Tang的AIE-gens那時(shí)除了沒有水溶性外，已經(jīng)制作非常完善，不溶解水是限制生物應(yīng)用的障礙。Liu恰好是這方面的專家，于是兩人開始合作。通過將聚合物進(jìn)行水溶和脂溶雙頭修飾，Liu解決了這種材料無法水溶解的問題。AIE-gens材料的脂溶端朝內(nèi)聚合在一起，水溶端朝外形成一個(gè)保護(hù)性外殼，形成一個(gè)能溶解于水的內(nèi)部充滿AIE-gens材料的微小膠囊。

這次材料被稱為AIE點(diǎn)，這種材料也可以進(jìn)行各種化學(xué)修飾，用于不同的目的。這種外殼能包裹各種類型的AIE-gens，這給篩選最佳分子提供了高效率。

AIE點(diǎn)已經(jīng)被用于各種組織染色，從腫瘤血管到亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。2015年，liu和Tang等報(bào)道了AIE用于光敏納米材料療法，這種材料攜帶兩個(gè)分子，一個(gè)攜帶AIE點(diǎn)進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，另一個(gè)協(xié)助與線粒體結(jié)合。用外來光源照射后，AIE點(diǎn)在線粒體附近產(chǎn)生紅色光制造氧自由基，將癌細(xì)胞破壞殺死。最好的AIE點(diǎn)亮度可以超過量子點(diǎn)40倍，Liu實(shí)驗(yàn)室的研究助理Guangxue Feng說，利用這種AIE點(diǎn)材料可在狹小空間內(nèi)制造強(qiáng)光。這非常適合于組織顯微成像和長期示蹤的研究，理論上每次細(xì)胞分裂，這種材料濃度會下降一半。但是亮度增加也是有代價(jià)的，AIE點(diǎn)可以制造出大范圍波長和更多色彩，但是光線的純度和色彩的鮮艷度不如量子點(diǎn)。

Liu已經(jīng)在新加坡創(chuàng)辦了一家公司LuminiCell專門生產(chǎn)三種色彩和三種大小的AIE點(diǎn)材料。Tang也準(zhǔn)備開一家公司，兩人都希望能獲得美國FDA授權(quán)，將這種材料用于人類外科手術(shù)精確切除的輔助分辨。