具有高效近紅外吸收/發(fā)射的碳納米點(diǎn)現(xiàn)世

 

　　發(fā)光碳納米點(diǎn)具有無毒、優(yōu)異的生物相容性，在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。生物組織對(duì)近紅外光(700−1700 nm)的吸收和散射較弱，在近紅外區(qū)進(jìn)行活體熒光成像可以有效提高組織穿透深度并降低自熒光干擾，對(duì)其臨床應(yīng)用具有重要意義?，F(xiàn)有的碳納米點(diǎn)吸收和發(fā)射譜帶主要位于紫外-可見區(qū)，還不能實(shí)現(xiàn)在近紅外區(qū)的高效吸收和高熒光量子效率近紅外發(fā)光，這嚴(yán)重限制了碳納米點(diǎn)在生物熒光成像特別是活體近紅外熒光成像中的應(yīng)用。
 

　　曲松楠課題自2012年起，開展發(fā)光碳納米點(diǎn)能帶調(diào)控及應(yīng)用的研究，陸續(xù)開發(fā)出高效水溶性綠光碳納米點(diǎn)( Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12215. 影響因子:13.45，ESI熱點(diǎn)論文)，實(shí)現(xiàn)碳納米點(diǎn)綠光光泵激光(Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 18. 影響因子:10.3)，實(shí)現(xiàn)基于碳納米點(diǎn)的噴水熒光信息打印(Adv. Mater. 2015, 27, 1389. 影響因子：19.7)，開發(fā)出橙光波段發(fā)光效率最高的碳納米點(diǎn)(Adv. Mater., 2016, 28, 3516. 影響因子：19.7，ESI熱點(diǎn)論文)，具有高效光熱轉(zhuǎn)換功能的超碳納米點(diǎn)(Light: Sci. Appl., 2016, 5, e16120. 影響因子：14.6)等一系列重要工作，其中兩篇文章入選ESI(Essential Science Indicator)熱點(diǎn)和高被引論文，進(jìn)入最優(yōu)秀的千分之一論文之列。針對(duì)碳納米點(diǎn)帶隙難于調(diào)控到近紅外區(qū)，并難于實(shí)現(xiàn)高效近紅外發(fā)光的難題，曲松楠課題組通過對(duì)紅光碳納米點(diǎn)表面進(jìn)行吸電子基團(tuán)修飾及對(duì)碳基內(nèi)核層有序結(jié)構(gòu)的無序化調(diào)控，使層狀碳基內(nèi)核外片層與核內(nèi)共軛結(jié)構(gòu)分離，在近紅外波段產(chǎn)生新的發(fā)光帶隙，獲得了在近紅外光激發(fā)下具有高效近紅外發(fā)射的碳納米點(diǎn)，熒光量子效率達(dá)到10%，為國(guó)際最高值。以該碳納米點(diǎn)為熒光成像試劑，實(shí)現(xiàn)了小鼠胃部及血液循環(huán)過程中的活體近紅外熒光成像(圖1-2)。同時(shí)，以近紅外-Ⅱ區(qū)飛秒光激發(fā)該碳納米點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)多光子誘導(dǎo)的紅光/近紅外發(fā)射。在1400 nm飛秒光激發(fā)下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙光子誘導(dǎo)近紅外發(fā)射和三光子誘導(dǎo)紅光發(fā)射(圖3)，該現(xiàn)象為國(guó)際上首次報(bào)道。該工作為碳納米點(diǎn)在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)發(fā)光調(diào)控以及開發(fā)基于碳納米點(diǎn)的近紅外熒光成像試劑提供新的研究思路。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，并被選為該期封面，副研究員李迪為論文第一作者，曲松楠為通訊作者。該研究得到了中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、吉林省中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才及團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、吉林省科技廳自然科學(xué)基金等的資助。
 

圖1. 通過表面吸電子基團(tuán)修飾后構(gòu)建近紅外吸收/發(fā)射碳納米點(diǎn)及其發(fā)光機(jī)制的示意圖

 

圖2. a)，碳納米點(diǎn)@PVP復(fù)合物的吸收、發(fā)射光譜；b)，以碳納米點(diǎn)@PVP復(fù)合物為成像試劑的近紅外熒光成像；c-d),小鼠胃部及尾靜脈注射后血液循環(huán)過程中的活體近紅外熒光成像。

 

圖3.近紅外-Ⅱ區(qū)飛秒光激發(fā)碳納米點(diǎn)的多光子誘導(dǎo)發(fā)光。a-b)，1200nm飛秒光激發(fā)碳納米點(diǎn)的發(fā)射光譜和發(fā)光強(qiáng)度-激發(fā)光功率曲線；c-d)，1400nm飛秒光激發(fā)碳納米點(diǎn)的發(fā)射光譜和發(fā)光強(qiáng)度-激發(fā)光功率曲線。

 

　　編輯點(diǎn)評(píng)
 

　　中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所始建于1952年，1999年由中科院長(zhǎng)春光機(jī)所(前身為始建于1952年的儀器館和始建于1953年的機(jī)電研究所)與中科院長(zhǎng)春物理所(前身為始建于1958年的吉林分院技術(shù)物理所)整合成中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所。研究所主要研究方向是發(fā)光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、光學(xué)工程、精密機(jī)械與儀器的研發(fā)生產(chǎn)，先后參加了“兩彈一星”、“載人航天工程”等多項(xiàng)國(guó)家重大工程項(xiàng)目。