吉林大學楊柏Adv. Mater.：具有超窄半峰寬的深紅碳化聚合物點

【研究背景】

碳點憑借其豐富且低廉的碳源，良好的生物相容性，較高的熒光量子效率及較低的生物毒性等優勢而備受關注，在諸多領域有著重要的商業應用前景，尤其是在生物成像方面。而窄的半峰寬發射對于增強成像對比度、減小背景噪聲，提高顯示器件的色純度，甚至用作激光發射材料等方面意義重大。此外，制備發射波長大于660 nm （深紅色熒光窗口）的高性能碳點也有利于深層組織成像，但同時獲得半峰寬窄、量子效率高、生物相容性好的深紅光/近紅外光碳點仍是一個重大挑戰。

【成果簡介】

近日，吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室楊柏研究組報道合成了一種半峰寬約為20 nm（目前報道的最小值）、發射波長在673 nm、毒性低、生物相容性好的深紅光碳化聚合物點 （Carbonized Polymer Dots, CPDs）。在二甲基亞砜（DMSO）溶液中，413 nm和660 nm激發光激發下，該深紅光CPDs的量子效率分別高達59%和31%，是目前已報道的紅光/近紅外光碳點的最高量子效率。實驗表明，熒光基元單一，能級結構簡單以及N雜環和芳香環構成的共軛結構的完整性是深紅光CPDs主要的熒光機理。此外，該工作首次深入探討了CPDs的核殼結構及聚合物特性，分析了CPDs在體內的腎臟及肝膽代謝途徑，并將其用于單光子和雙光子生物成像。該文章近日以題為“Deep Red Emissive Carbonized Polymer Dots with Unprecedented Narrow Full Width at Half Maximum”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、碳化聚合物點（CPDs）的合成及光學性質

a）制備示意圖。

b）吸收光譜。

c）熒光（PL）光譜。

d）不同激發光下的光學照片。

e）不同激光功率下的雙光子熒光光譜。

f）CPDs的積分熒光強度與激光功率平方之間的關系。

圖二、CPDs的形貌及聚合物特性

a）透射電子顯微鏡圖。

b）原子力顯微鏡圖。

c）熱重分析（紅色曲線）和微分熱重分析（藍色曲線）圖。

d）差示掃描量熱分析。

e）環境溫度為20 ^oC時，CPDs的粘度與剪切速率之間的關系，插圖：干燥后CPDs的照片。

f）溫度對CPDs粘度的影響。

圖三、CPDs的熒光機理

CPDs在670 nm（a）和720 nm（b）處的PL衰減曲線。

c）CPDs的瞬態吸收（TA）光譜的3D偽彩色圖。

d）不同時間延遲下的TA光譜。

e）不同特征波長的動力學衰減曲線，實線為擬合曲線。

f）全局擬合結果分析。

圖四、CPDs的熒光機理

a）c-CPDs的熒光光譜。

b）CPDs（紅色曲線）和c-CPDs（黑色曲線）的吸收光譜。

c）CPDs（紅色曲線）和c-CPDs（黑色曲線）的傅立葉變換紅外光譜。

CPDs的高分辨率d）C1s X射線光電子能譜（XPS），e）N1s XPS和f）O1s光譜。

c-CPD的高分辨率g）C1s XPS，h）N1s XPS和i）O1s光譜。

圖五、CPDs的單光子和雙光子生物成像

a1-a3）不同激發光下的單光子細胞成像，b）雙光子細胞成像，c-h）活體成像及各器官成像分析。

【結論展望】

綜上所述，作者以紅豆杉樹葉為前驅體，通過溶劑熱合成方法，柱層析提純技術制備了半峰寬約為20 nm的深紅光CPDs。在413 nm和660 nm激發光激發下，CPDs的量子效率分別高達59%和31%。實驗發現，CPDs的結構不同于已報道的碳量子點材料。其具有核殼結構，主要含有羥基，氨基，芳香環，N雜化環，醚鍵等化學鍵。CPDs最外層是碳化程度較低的聚合物鏈；而碳核主要是由聚合物鏈的交聯、碳化形成的。進一步研究表明，熒光基元單一，能級結構簡單以及N雜環和芳香環構成的共軛結構的完整性是深紅光CPDs主要的熒光機理。此外，CPDs在深紅光區域表現出較強的吸收和發射，具有低毒性和良好的生物相容性，且官能團豐富易于修飾，單光子和雙光子生物成像效果佳。該工作不僅使研究者們了解了碳點材料的聚合物特性，而且為生物醫學及光電器件領域提供了一種新的深紅光納米材料。

文獻鏈接：Deep Red Emissive Carbonized Polymer Dots with Unprecedented Narrow Full Width at Half Maximum (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201906641)

課題組簡介：

楊柏，現任吉林大學教授。1980年入吉林大學化學系高分子化學專業學習，1991年獲吉林大學高分子化學與物理專業博士學位。長江學者、國家杰出青年基金獲得者（1999）、國家自然科學基金委“創新研究群體”學術帶頭人（2009）。曾任吉林大學合成與催化研究所副所長（1997-2001）、化學學院副院長（2001-2004）、化學學院院長（2008-2012）、超分子結構與材料教育部重點實驗室主任（2004-2007）及超分子結構與材料國家重點實驗室主任（2007-2014）。

楊柏教授主要從事“聚合物微納結構與光功能材料”研究，目前主要研究興趣:（1）碳化聚合物點及其生物醫學與光電材料應用；（2）聚合物納米復合與光學材料；（3）聚合物多級有序微結構與光子響應材料用于生物分子響應與檢測等。相關研究共發表SCI論文550余篇，論文被SCI引用2萬7千余次，H因子77。受邀在國際和全國學術會議上做大會報告和邀請報告100余次，獲授權中國發明專利40余件。作為第一完成人2010年獲國家自然科學二等獎。

本文由大兵哥供稿。

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