郑州大学物理学院在水溶液中碳纳米点磷光发射研究取得新进展

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我院在水溶液中碳纳米点磷光发射研究取得新进展

从远古时期神农氏的“夜矿”，到《搜神记》记载的“纯白而夜光，可以烛室”的随侯珠，再到春秋战国时代的“悬黎”和“垂棘”之璧，“昼视之如星，夜望之如月”的夜明珠的传说和神奇故事在人类历史文献中屡见不绝。1944年Lewis阐明分子中长寿命的发光是来自于三重态激子的发光，人们才对夜明珠的发光原理略知一二。又经过半个多世纪的发展，这种激发停止后仍然可以发光的磷光现象才逐渐被人们认识和熟知，并因其在信息安全、光电器件、信息存储、生物成像等领域的重要应用而引起人们的广泛关注。

碳纳米点（Carbon Nanodots, CDs）与金刚石同作为碳家族的重要成员，近年来因其优异的荧光性能和生物兼容性，从而在生物标记、光电器件、信息加密等领域重要的潜在应用而引起了人们大量关注。另外，碳纳米点表面丰富的表面官能团和其内部的氢键相互作用可以稳定其三重态，并促进载流子的系间窜越，使其表现出优异的室温磷光发射性能。但由于三重态激子不稳定，在水环境下容易被自身的分子振动和水中的溶解氧消耗掉，因此绝大多数磷光现象都是在固态条件下实现的，而如何在水溶液中实现磷光发射仍然面临艰巨挑战。

针对以上问题，2020年初，我院青年教师刘凯凯博士、单崇新教授团队通过在有机微米棒中构建氢键网络，实现了水诱导的室温超长磷光，见Nano Res.13,875–881 (2020)。在以上工作的基础上，团队近日将碳纳米点嵌入到亲水性二氧化硅基质中。由于二氧化硅的亲水性、对碳纳米点的限域效应，以及与外界环境的隔绝作用，实现了碳纳米点在水溶液中的室温磷光发射，其磷光寿命为1.86 s，磷光量子产率为11.6％，水溶液中裸眼可见的磷光发射时间超过10 s。由于制备的碳点材料高的信噪比和超长的磷光发射，团队将其应用于生物医学标记领域，据知这也是磷光碳点第一次被应用于活体成像领域。该文章近日以“Ultralong and Efficient Phosphorescence from Silica Confined Carbon Nanodots in Aqueous Solution”为题发表在Nano Today（影响因子：16.582）上，见Nano Today 34, 100900 (2020)。我院博士生梁亚川为文章第一作者，生命科学院苟闪闪为共同一作，我院刘凯凯博士、单崇新，以及生命科学院高艳锋教授为共同通讯作者。

图1 CDs@Silica复合材料的制备过程及其在水溶液中的磷光现象

图2 CDs的结构和光学性能以及磷光发光机理

图3 CDs@Silica复合材料的结构和光学性能以及其在水溶液中磷光发射原理

图4 CDs@Silica复合材料的生物毒性和活体成像应用

本文的结果有望推动磷光纳米粒子在生物医学和临床治疗中的应用，拓展碳纳米点在余辉生物成像中的应用。

该工作受到了国家自然科学基金项目和中国博士后科学基金等项目的支持。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300694