氮摻雜碳點的合成與應(yīng)用

曲松楠，孫銘鴻,，田 震,，鮑 鑫,，周正杰,， 周 鼎，李 迪

(1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

2004年，Xu等[1]在純化由電弧放電法制備的單壁碳納米管的過程中，首次分離出一種熒光碳納米顆粒。2006年，Sun等[2]利用表面鈍化，獲得了熒光性能較好的碳納米顆粒，并命名為“碳納米點”。碳納米點是一種主要由碳、氫、氧、氮等元素組成的粒徑一般小于10 nm、表面經(jīng)過有機物鈍化處理、一般具有類似石墨或石墨型氮化碳層狀結(jié)構(gòu)，亦有部分為無定型碳或氧化石墨結(jié)構(gòu)的納米顆粒。目前，碳納米點的制備方法主要分為自下而上法和自上而下法[3-4]。自下而上法是以有機小分子或含有有機分子的生物質(zhì)等為前驅(qū)物結(jié)合多種技術(shù)，如模板法[5-6]、熱解法[7-12]、微波法[13-14]、溶劑熱法[15-16]、燃燒法等將有機分子或含有有機分子的生物質(zhì)碳化后，經(jīng)過分離純化得到發(fā)光碳納米點，這種方法產(chǎn)率高，但所得到的碳納米點發(fā)光大都在藍綠光區(qū)域。自上而下法是把原來不發(fā)光的、大的塊體碳材料，如石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯等，利用多種技術(shù)如激光燒蝕[17-19]、電化學(xué)[20-24]、電弧放電[1]等制備尺寸更小的發(fā)光碳納米點，然而這類方法所得的碳納米點副產(chǎn)物多，產(chǎn)率較低，發(fā)光也大都在藍綠光區(qū)域。

碳納米點作為一種新型發(fā)光材料，由于其具有光穩(wěn)定性好、耐光漂白、無毒、生物相容性好、廉價、易于大規(guī)模合成等優(yōu)點，在生物成像、傳感、能源存儲、光電器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前大多數(shù)報道中的高熒光量子效率的碳納米點發(fā)光位于藍光波段，而發(fā)光位于長波長區(qū)域的高熒光量子效率的碳納米點報道較少。由于無論在照明顯示還是生物成像等領(lǐng)域，長波長發(fā)光都是不可缺少的，因此探索碳納米點在長波長區(qū)域的高效發(fā)光對于推動碳納米的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。目前，制備碳納米點的前驅(qū)體多種多樣，制備方法也不盡相同，導(dǎo)致碳納米點的發(fā)光機理復(fù)雜多樣，如何有效地調(diào)節(jié)碳納米點的發(fā)光還是該領(lǐng)域的難題。此外，由于制備方法的限制，導(dǎo)致制備出的碳納米點尺寸不均一，因而碳納米點的能級也不一樣，造成碳納米點在固相時，能級間發(fā)生能量傳遞，最終出現(xiàn)聚集誘導(dǎo)猝滅效應(yīng)，固態(tài)下的碳納米點熒光較弱或幾乎完全猝滅，嚴重限制了碳納米點在固態(tài)照明領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何實現(xiàn)碳納米點高效固態(tài)發(fā)光具有重要研究意義。

本文總結(jié)了本課題組近年來采用檸檬酸作為碳源、尿素或氨水作為氮源，在碳納米點能隙調(diào)控、可見區(qū)-近紅外發(fā)光和固態(tài)發(fā)光等方面的研究成果以及在固態(tài)照明、可見光通訊、光泵激光、信息加密、生物成像和光熱治療等領(lǐng)域的應(yīng)用探索。白色發(fā)光二極管(WLEDs)作為新興的照明光源具有許多有競爭力的優(yōu)勢，如節(jié)能、工作壽命長、低功耗、快速響應(yīng)時間、緊湊的尺寸等，在現(xiàn)實生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。近紅外光不僅對生物體的傷害較小，而且對生物表皮的穿透作用要比可見光強得多，它可以十分輕松地穿透生物表皮進入生物體內(nèi)，是作為生物成像和光熱治療最具實用價值的光。因此，研發(fā)出高效固態(tài)發(fā)光的熒光粉和在近紅外光譜區(qū)高效吸收和發(fā)射的碳納米點對促進固態(tài)照明、可見光通訊、生物成像和光熱治療等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

2 氮摻雜碳納米點的合成與性能研究

2.1 綠光氮摻雜碳納米點的合成

摻雜和表面修飾是提高納米材料尤其是碳納米點發(fā)光性能和調(diào)節(jié)能隙寬度的有效手段。此前，我們使用檸檬酸和檸檬酸作為前驅(qū)體，通過一種簡單、低成本、一步微波法合成了一種表面帶有羧基和酰胺基等官能團的綠光氮摻雜的水溶性熒光碳納米點(g-CDs)[25]。該氮摻雜碳納米點水溶液的吸收峰集中在270，340，405 nm處，并且在340～500 nm的激發(fā)下在440～570 nm的范圍內(nèi)表現(xiàn)出了激發(fā)依賴的光致發(fā)光特性。在420 nm激發(fā)下在540 nm處表現(xiàn)出了最強的發(fā)射(圖1)，并且擁有14%的光致發(fā)光量子效率(PLQY)。

圖1 (a)不同激發(fā)波長下氮摻雜碳納米點稀水溶液的吸收光譜和PL光譜；(b)氮摻雜碳納米點涂抹在可購買到的商業(yè)拭鏡紙上的PL光譜。

Fig.1 (a) Fluorescence spectra excited by various wavelengths of the rat urine after drinking the carbon nanodots water solution for five weeks. (b) Fluorescence spectra excited by various wavelengths of the rat urine after stopping drink the carbon nanodots water solution for five weeks.

2.2 橙紅光碳納米點的合成

發(fā)光碳納米點是近十年興起的新型納米發(fā)光材料，其無毒、發(fā)光性能好、生物相容性好、原料廣泛等優(yōu)點，引起國際上廣泛的關(guān)注。該領(lǐng)域發(fā)展面臨的瓶頸是缺少調(diào)控碳納米點發(fā)光帶隙的手段和增強其熒光量子效率的方法。目前，碳納米點在藍光和綠光波段已實現(xiàn)較為高效的發(fā)光，但在可見光區(qū)長波長波段，特別是橙光到紅光波段，缺少高效率發(fā)光的碳納米點。目前，國際上報道的碳納米點在橙光到紅光波段的最高熒光量子效率為24%。本課題組自2012年以來主要開展碳納米點帶隙可調(diào)控的高效發(fā)光和激光工作，研制出在綠光波段高效本征發(fā)光的碳納米點[25]，率先實現(xiàn)碳納米點在綠光波段的光泵激光[26]，成功研制出具有噴水熒光打印功能的超碳納米點[27]等一系列原創(chuàng)性工作。本課題組在前期工作的基礎(chǔ)之上，進一步發(fā)展了調(diào)控碳納米點發(fā)光帶隙的方法[28]，通過調(diào)控尿素和檸檬酸組裝體的縮聚程度，以DMF為溶劑的溶劑熱反應(yīng)，使碳納米點的吸收譜帶拓展到綠光波段，通過進一步的金屬陽離子鈍化表面缺陷態(tài)處理，實現(xiàn)碳納米點(CND1)在橙紅光波段熒光量子效率高達46%的熒光發(fā)射。為了進一步了解金屬陽離子功能化的影響，還制備了非金屬陽離子功能化的碳納米點(CND2)，然而該碳納米點的PL強度比CND1要弱得多(圖2)。

圖2 (a)CND1和(b)CND2在不同激發(fā)波長下的PL光譜；(c)CND1和CND2稀釋乙醇溶液的紫外可見吸收光譜和PL光譜(540 nm激發(fā))；(d)580 nm發(fā)射時CND1和CND2 (540 nm激發(fā))的時間分辨熒光光譜。

Fig.2 PL spectra of CND1(a) and CND2(b) at different excitation wavelengths. (c) Time resolved luminescence decay curves collected at 580 nm for CND1 and CND2 (540 nm excitation) (IRF，instrument response function). (d) UV-vis absorption spectra and PL spectra (540 nm excitation) of CND1 and CND2 dilute ethanol solution.

2.3 可見光波段全譜段氮摻雜碳納米點的合成

目前，制備碳納米點的前驅(qū)體多種多樣，制備方法也不盡相同，并且碳納米點的發(fā)光機理尚不明確，導(dǎo)致還沒有明確的方法來調(diào)節(jié)碳納米點的發(fā)光。本課題組的田等[29]通過選取不同的溶劑調(diào)節(jié)溶劑熱過程中反應(yīng)原料檸檬酸和尿素的脫水碳化程度，進而調(diào)節(jié)所制備碳納米點的發(fā)光帶隙。選取水(CDot-water)、甘油(CDot-glycerol)、DMF(CDot-DMF)及它們的混合溶劑，合成出了從藍到紅的熒光納米碳納米點。利用不同溶劑對前驅(qū)體材料檸檬酸和尿素的脫水碳化程度的不同影響，調(diào)節(jié)所制備碳納米點的碳核尺寸，碳核尺寸增大意味著sp2共軛域增大，從而導(dǎo)致長波長區(qū)域吸收增強，熒光發(fā)射紅移。根據(jù)能帶調(diào)控理論，通過控制溶劑熱反應(yīng)中的溶劑混合比例，可以實現(xiàn)熒光發(fā)射位于450～640 nm之間任意波段的氮摻雜碳納米點(圖3)。

圖3 (a)3種溶劑混合物合成的CDots溶液在日光(上)和紫外光(下)下(樣品A、B、C、D、E、F、G)的照片；(b)它們在375 nm激發(fā)下相應(yīng)的PL光譜。

Fig.3 (a) Photographs of the CDots solutions synthesized a three-solvent mixture (samples A, B, C, D, E, F, G) under daylight(top) and UV light(bottom). (b) Corresponding PL spectra at 375 nm excitation.

2.4 近紅外吸收和發(fā)射碳納米點的合成

本課題組的李等[30]利用水熱法制備的碳納米點，把該碳納米點置于潮濕的空氣(60%的濕度)中，在幾天內(nèi)(60%的濕度下為7 d)，顏色逐漸由黃變黑。黑色粉末可以分散在水中，而后通過透析和冷凍干燥得到深藍色的超碳納米點(圖4(a))。因碳納米點單元具有表面電荷分布不均的特性，通過氫鍵作用和可能的靜電相互作用形成組裝體，從而實現(xiàn)組裝單元間表面能級的空間交疊和電荷轉(zhuǎn)移，構(gòu)建出一種新型的具有強近紅外吸收帶(λabs=700 nm)和高效率近紅外光熱轉(zhuǎn)換(高達53%)的超級碳納米點組裝體(圖4(d))。良好的光熱性能、水中的高分散性和低毒性使這種超碳納米點具有潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

圖4 碳納米點(左)和超碳納米點(右)在固體(a)、溶液(b)和紫外光照射下(c)的照片；碳納米點和超碳納米點的吸收光譜(d)和340 nm激發(fā)下的PL光譜(e)。

Fig.4 Optical images of CNDs (left) and supra-CNDs (right) in the solid state(a), in solution(b), under UV irradiation (c). (d) Absorption spectra(normalized at the absorption maxima in the UV region) of CND and supra-CND. (e) Fluorescence spectra of CND and supra-CND (0.28 mg·mL-1) excited at 340 nm.

通過對紅光碳納米點(r-CDs)表面進行吸電子基團修飾及對碳基內(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(NIR-CDs)，熒光量子效率可達到10%[31]。以二甲基亞砜(DMSO)修飾的碳納米點為例，在715 nm處的NIR-I區(qū)域形成了吸收帶，在近紅外光的激發(fā)下于760 nm處產(chǎn)生了有效的近紅外發(fā)射。近紅外激發(fā)和發(fā)射對碳納米點實現(xiàn)生物體內(nèi)熒光成像具有重要意義。此外，在NIR-Ⅱ波段(1 000～1 700 nm)的飛秒脈沖激光的激發(fā)下，DMSO中的碳納米點同時實現(xiàn)了雙光子和三光子誘導(dǎo)熒光(圖5)。

圖5 與入射強度相關(guān)的多光子激發(fā)的熒光光譜：(a)1200 nm激發(fā)(插圖：1 200 nm和22 mW激發(fā)的照片)和(c)1 400 nm激發(fā)(插圖：1 400 nm和46 mW激發(fā)的照片)；發(fā)射的功率依賴性(對數(shù)坐標)：(b)1 200 nm激發(fā)和(d)1 400 nm激發(fā)。

Fig.5 Fluorescence spectra obtained for multiphoton excitation associated with incident intensities at 1 200 nm excitation(inset: photograph showing excitation at 1 200 nm and 22 mW) (a) and 1 400 nm excitation(inset: photograph showing excitation at 1 400 nm and 46 mW) (c). Power dependence of emission(shown on logarithmic scales) at 1 200 nm excitation(b) and 1 400 nm excitation(d).

2.5 氮摻雜碳納米點發(fā)光機制研究

人們利用方位角偏振光激發(fā)單個碳納米點，觀察到啞鈴狀圖案，證實其發(fā)光來自于一個固定的偶極。具有偏振發(fā)光特性的碳納米點，有希望應(yīng)用于偏振調(diào)制的超分辨熒光顯微成像。然而碳納米點的發(fā)光來源尚存在爭議，特別是其各項異性的發(fā)光起因尚不清楚，極大地限制了碳納米點的發(fā)展及應(yīng)用。為了提高碳納米點的熒光量子效率，通常在合成過程中用氮、氧等元素摻雜，這些摻雜原子極有可能會導(dǎo)致碳納米點各項異性的發(fā)光。因此，研究摻雜碳納米點各項異性發(fā)光的來源，有助于我們認識其發(fā)光機理。本課題組景等[32]利用偏振相關(guān)的瞬態(tài)吸收光譜，觀察到碳納米點各項異性的基態(tài)漂白(GSB)與受激發(fā)射(SE)的信號以及碳納米點偶極與溶劑分子偶極相互作用的動力學(xué)過程，證明了碳納米點中的確存在固定的偶極中心。當(dāng)偏振的飛秒泵浦光激發(fā)碳納米點，會在碳納米點中產(chǎn)生一個電子-空穴對(偶極)，打破了碳納米點與極性溶劑分子在基態(tài)時的平衡，碳納米點周圍的極性溶劑分子通過轉(zhuǎn)動以適應(yīng)碳納米點中偶極的變化，使體系的能量降低，導(dǎo)致發(fā)射峰紅移，這種現(xiàn)象稱為溶劑化過程，如圖6所示。實驗中，我們觀察到碳納米點受激發(fā)射峰隨時間的紅移過程，經(jīng)過分析水的溶劑化時間常數(shù)約為1 ps，改變?nèi)軇┲兴谋壤梆ざ?，溶劑化過程的時間常數(shù)通常在1～20 ps的范圍變化。證明了碳納米點偶極與極性溶劑分子偶極之間的相互作用。碳納米點各項異性的發(fā)光特性預(yù)示其在偏振發(fā)光二極管、超分辨成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

圖6 (a)碳納米點在水中的俯視圖TA數(shù)據(jù)(magic angle)，黑色實線表示的是SE峰的移動；(b)碳納米點在水中泵浦脈沖后靜態(tài)吸收(黑色實方塊)、PL(黑色空方塊)、1 ps 延遲的TA譜(黑色實線)；(c)在不同波長500～600 nm的水溶液中探測到碳納米點的TA動力學(xué)曲線；(d)將水中碳納米點的相關(guān)函數(shù)繪制為時間函數(shù)(插圖：溶劑化動力學(xué)原理圖，箭頭表示偶極子的方向)；(e)分散在水和乙醇(25%、50%和75%)水溶液中，碳納米點在500 nm和600 nm處的TA動力學(xué)曲線；(f)不同溶劑中碳納米點的相關(guān)函數(shù)繪制為時間函數(shù)。

Fig.6 (a) Top-view TA data (magic angle) of CDots in water. The black solid line shows the shift of SE peak. (b) Static absorption (black solid squares), PL (black empty squares), and TA spectra delayed 1 ps after pump pulse (black solid line) of CDots in water. (c) TA kinetic traces of CDots in water probed at different wavelengths ranging from 500 to 600 nm. (d) The correlation function plotted as a function of time for CDots in water. Inset: a schematic illustration of solvation dynamics. Arrows represent the directions of dipoles. (e) TA kinetic traces of CDots probed at 500 and 600 nm, dispersed in water and ethanol (25%, 50% and 75%) aqueous solutions. (f) Correlation functions plotted as a function of time for CDots in different solvents.

此外，景等[33]通過微波法合成具有溶劑依賴特性和壓致變色的氮摻雜碳納米點。在水溶液中，該碳納米點的熒光發(fā)射峰隨著壓力的增加逐漸藍移；而在DMF溶劑中，該碳納米點的熒光發(fā)射峰隨著壓力的增加發(fā)生紅移(圖7)。景等將該碳納米點的藍移和紅移的壓致變色反應(yīng)分別歸因于高壓下原溶劑誘導(dǎo)變化的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和增加的π-π*共軛程度。

2.6 氮摻雜碳納米點固態(tài)發(fā)光材料的合成

固態(tài)碳納米點因聚集而出現(xiàn)熒光猝滅，阻礙了碳納米點在固態(tài)照明等領(lǐng)域的應(yīng)用。通常，要想實現(xiàn)碳納米點的固態(tài)發(fā)光，需要尋找一種基質(zhì)，將碳納米點分散進去。淀粉是一種綠色、環(huán)保、可以通過植物光合作用再生的有機質(zhì)。在我們之前的工作中，孫等[34]提供了一種通用的技術(shù)，將綠光碳納米點(g-CDs)嵌入到淀粉中，合成出了一種基于綠光碳納米點的發(fā)光量子效率(PLQY)高達50%的熒光粉(g-CDs@starch)，該方法同樣也可以用于藍光碳納米點(b-CDs)復(fù)合熒光粉(b-CDs@starch)的合成。g-CDs@starch復(fù)合熒光粉的PL強度還表現(xiàn)出了明顯的溫度依賴特性，PL強度隨著溫度的升高明顯降低。隨著溫度的升高，非輻射復(fù)合中心的活化可能是導(dǎo)致熒光粉因熱而發(fā)生熒光猝滅的主要原因。該復(fù)合熒光粉的熱穩(wěn)定性測試(圖8)表明，在不同的溫度下表現(xiàn)出的僅僅是PL強度和發(fā)射峰位置的變化。然而，在某一特定溫度下(不論低溫(90 K)還是高溫(300 K))，該熒光粉都能保持比較穩(wěn)定的PL強度。這說明該熒光粉是可以作為溫度傳感器，尤其是低溫傳感器的潛在材料。

圖7 (a)水和(b)DMF作為PTM的碳納米點在大氣壓和高壓(25 GPa)下的熒光照片；(c)水和(d)DMF中碳納米點的PL光譜隨大氣壓升高至25 GPa的變化；碳納米點在水和DMF中的PL峰值(e)和積分強度與壓力的關(guān)系(f)。

Fig.7 Fluorescent photographs of CDs with (a) water and (b) DMF as PTM under atmospheric pressure and high pressure (25 GPa). PL spectra evolution of CDs in (c) water and (d) DMF with increasing pressure from atmospheric pressure to 25 GPa. (e) PL peak and (f) integrated intensity of CDs with water or DMFvs. pressure.

另外，翟等[35]通過將紅光碳納米點(r-CDs)嵌入到聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中，成功地制備了基于紅光碳納米點的熒光粉(r-CDs@PVP)，并且r-CDs@PVP和g-CDs@starch這兩種熒光粉都表現(xiàn)出了非常好的光穩(wěn)定性，即使在紫外光下照射100 h，二者的PL強度依然能夠保持在90%以上(圖9)。

圖8 g-CDs@starch復(fù)合熒光粉在90～370 K(在405 nm激發(fā)下)溫度范圍內(nèi)的溫度依賴性的PL光譜(a)、PL峰(b)和FWHM(c)；(d)g-CDs@starch復(fù)合熒光粉在90～370 K(在405 nm激發(fā)下)溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性。

Fig.8 Temperature-dependent PL spectra(a), PL peak(b), and FWHM(c) of the starch/g-CD phosphors (mass ratio: 70∶1) at the temperature ranging from 90 to 370 K (excitation at 405 nm). (d) Thermal stability performances of the starch/g-CD phosphors (mass ratio: 70∶1) during holding at the temperature of 90 and 370 K for 2 h in air.

圖9 (a)紫外光下g-CDs@starch熒光粉(黑色曲線)、r-CDs@PVP熒光粉(紅色曲線)和熒光染料(藍色曲線)的PL強度衰減曲線；(b)藍光下經(jīng)過495 nm濾光片后g-CDs@starch熒光粉與環(huán)氧硅樹脂組成的發(fā)光體材料和綠色光及(c)綠光下經(jīng)過550 nm濾光片后r-CDs@PVP熒光粉與環(huán)氧硅樹脂組成的發(fā)光體材料的照片。

Fig.9 (a) PL intensity decay curves of g-CDs@starch phosphors (black curve), r-CDs@PVP phosphors (red curve) and fluorescent dye (blue curve) under UV light. Images of luminescent bulk materials which are composed of (b) g-CDs@starch phosphors and epoxy-silicone resin under blue light with a 495 nm filter (long pass), and (c) r-CDs@PVP phosphors and epoxy-silicone resin under green light with a 550 nm filter (long pass). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

圖10 g-CDs、g-CDs@BaSO4雜化熒光粉與工業(yè)熒光素鈉的熱穩(wěn)定性比較。(a)初始g-CDs的TGA熱像圖，(a)中的插圖是純g-CND粉體在300 ℃下加熱30 min后的照片；(b)溫度由20 ℃逐步升高到300 ℃(紅色圓圈)和樣品在300 ℃下保存30 min后，冷卻至室溫(黑色方塊)過程的PL強度變化；(c)g-CND@BaSO4復(fù)合熒光粉和(d) 熒光素鈉隨溫度變化的熒光圖像。

Fig.10 Comparison of the thermal stability among g-CND, g-CND@BaSO4 hybrid phosphors, and commercial fluorescein sodium. (a) TGA thermogram of the initial g-CND. Insets in (a) are photographs of pure g-CND powders after being heated at300 ℃ for 30 min. (b) Variation of theinsitumeasured PL intensity of the g-CND@BaSO4 hybrid phosphorsversustemperature. The temperature is increased from 20 to 300 ℃ in steps of 20 ℃ (red circles); after storing the sample at 300 ℃ for 30 min, it is cooled down to room temperature (black squares). Solid lines are solely provided as a guide to the eye. Fluorescence images of (c) the g-CND@BaSO4 hybrid phosphors, and (d) fluorescein sodiumversustemperature. The scale bar is 100 μm.

田等選擇廉價易得的水玻璃作為分散基質(zhì)，將其與溶劑熱制備的碳納米點混合，通過微波輔助法一步制得高效碳納米點熒光粉。水玻璃，又稱為液態(tài)硅酸鈉，可以與碳納米點水溶液均勻混合。在微波作用下，水玻璃迅速脫水固化，形成穩(wěn)定的SiO2網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，可以作為良好的分散基質(zhì)，游離的Na+可以形成金屬陽離子鈍化，提高碳納米點的熒光量子效率，因此所制備的實現(xiàn)全譜段碳納米點在各自最優(yōu)激發(fā)下的熒光量子效率均達到30%，要高于其各自在水溶液下的熒光量子效率。

除此之外，為了獲得較高的基質(zhì)對碳納米點的負載率和熒光量子效率，周等[38]通過碳納米點觸發(fā)的二氧化硅凝膠過程克服了碳納米點的聚集誘導(dǎo)固態(tài)發(fā)光猝滅。碳納米點表面帶有大量羥基能夠引發(fā)正硅酸乙酯水解，可原位包覆二氧化硅，正硅酸四乙酯(TEOS)與碳納米點的凝膠化反應(yīng)有效地抑制了碳納米點之間的聚集碰撞。研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳納米點乙醇溶液濃度較低時，得到的是碳納米點@二氧化硅復(fù)合納米粒子。由于碳納米點在復(fù)合納米粒子中負載率較低，呈單分散狀態(tài)，雖然其熒光量子效率較高，但是熒光強度很弱。當(dāng)增加碳納米點乙醇溶液濃度時，雖然令復(fù)合材料中負載率增加，但是由于制備過程中碳納米點之間相互碰撞幾率增大，導(dǎo)致聚集，使得最終獲得的復(fù)合納米粒子的熒光效率下降。但在高濃度的碳納米點乙醇溶液中，由于碳納米點能在短時間內(nèi)引發(fā)正硅酸乙酯水解，使碳納米點在尚未聚集時，即在碳納米點表面原位復(fù)合二氧化硅，進而形成凝膠，使碳納米點良好地分散在干燥的凝膠中，獲得了19.2%負載率和41%熒光量子效率的熒光粉。同時，這種制備方法也適用于表面同樣具有豐富羥基的藍光碳納米點，進而得到高熒光亮度的藍光碳納米點@二氧化硅復(fù)合凝膠。

圖11 不同加熱溫度下的吸收光譜(a)和PL光譜(b)；(c)220 ℃加熱得到的氮摻雜碳納米點PL光譜在長時間紫外光照射下PL強度隨時間的變化。

Fig.11 UV-vis absorption spectra(a) and PL emission spectra(b) of dilute aqueous solutions obtained by dissolving the foams synthesized by the vacuum heating method at different temperatures, as indicated. (c) Variations of the PL intensities of the two deconvoluted peaks(located at 450 and 520 nm) of the 220 ℃-heated sample(whose PL spectrum is shown by a blue line in (b)) under UV light(15 W mercury lamp equipped with a 450 nm short wave pass filter) as a function of UV irradiation time.

本課題組周等[39]利用過氧化氫溶液對以檸檬酸與尿素為原材料、微波法合成的原本固態(tài)熒光猝滅的碳納米點進行氧化處理。該方法不同于被較多報道的將碳納米點摻雜進入例如PVA或無機鹽等基質(zhì)的方法，處理后的碳納米點獲得寬帶隙的表面能級結(jié)構(gòu)，抑制了碳納米點聚集態(tài)下表面態(tài)的無輻射躍遷過程，獲得固態(tài)下熒光量子效率25%的黃綠光碳納米點(ox-CDs)。

碳納米點激發(fā)依賴的光致發(fā)光特征已經(jīng)被認為是其獨特的特性，并且被認為是碳納米點中存在的許許多多的發(fā)光中心引起的，這些發(fā)光中心不僅可以是碳納米點石墨域的內(nèi)核也可以是分子熒光團。在我們課題組的周等[40]的一項工作中，通過空間受限的真空加熱方式成功地制備出了在分散和聚集狀態(tài)下都能顯示出有效發(fā)光的氮摻雜碳納米點，在120 ℃的真空加熱下檸檬酸、尿素和CaCl2的混合物形成了膨脹的泡沫。當(dāng)溫度升高到250 ℃時，藍光發(fā)射的分子類型的熒光體首先形成，然后轉(zhuǎn)化成具有統(tǒng)一尺寸的綠光發(fā)射的氮摻雜碳納米點。該工作不僅制備出了一種在溶液和薄膜中都保持很高的熒光量子效率(65%～75%)的氮摻雜碳納米點，還克服了氮摻雜碳點因聚集而引起的熒光猝滅。該工作結(jié)果表明，在不同加熱溫度下合成出來的粉末水溶液一致顯示出以330～406 nm為中心的兩個吸收峰，當(dāng)加熱溫度在140～250 ℃變化時，兩個吸收峰強度比逐漸減小，相應(yīng)地以450 nm和520 nm為中心的發(fā)射峰強度比也隨溫度的升高而減小，最終在250 ℃的高溫下只剩下520 nm處的一個發(fā)射峰(圖11)，這說明來自于分子熒光團的藍光發(fā)射已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為來自于碳納米點內(nèi)核的綠色熒光。

3 氮摻雜碳納米點的應(yīng)用

3.1 基于氮摻雜碳納米點熒光粉的LED照明器件

將g-CDs@starch復(fù)合熒光粉分散在甲苯中，然后滴在450 nm發(fā)射的藍光GaN芯片上，在自然干燥后用透明環(huán)氧硅樹脂封裝。我們以該方法制造出了在最優(yōu)工作電流50 mA下工作的具有CIE坐標(0.26,0.33)的白光LED。以紅光碳納米點(r-CDs)與淀粉復(fù)合，研制出了基于碳納米點的橙紅光熒光粉，并以此實現(xiàn)基于碳納米點的暖白光LED照明器件(圖12)。該工作突破了碳納米點在可見區(qū)長波長波段難于實現(xiàn)高效發(fā)光的難題，將推動碳納米點在生物醫(yī)療及光電器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖12 (a)熒光顯微鏡照片(綠光激發(fā))；(b)紫外燈下淀粉/CND1熒光粉的熒光圖像；(c)在日光下拍攝的基于淀粉/CND1熒光粉與綠色淀粉/g-CDs熒光粉混合而制造的WLED；(d)WLED工作時發(fā)出的暖白光照片和(e)對應(yīng)的發(fā)射光譜；(f)WLED的CIE坐標。

Fig.12 Fluorescence image of the starch/CND1 phosphors under fluorescence microscope (green light excitation) (a) and a UV lamp(b). (c) Photograph of WLED, which is fabricated by integrating starch/CND1 phosphors and green starch/CND-based LED, is taken at sunlight. (d) Photograph of the working WLED with warm white emission. (e) Corresponding emission spectrum . (f) Color coordinate of the WLED.

在復(fù)合熒光粉中由于分散基質(zhì)的存在，g-CDs@NaCl復(fù)合熒光粉具有良好的光穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，基于g-CDs@NaCl復(fù)合熒光粉實現(xiàn)了具有可調(diào)色溫和CIE坐標的WLEDs(圖13(a))。在此基礎(chǔ)上，將g-CDs@starch和r-CDs@PVP這兩種熒光粉依次沉積在InGaN芯片上，以減小光致發(fā)光(PL)的發(fā)射波長。在該WLEDs原型中，InGaN芯片的藍光(450 nm)首先激發(fā)g-CDs@starch熒光粉發(fā)出532 nm的綠光，然后r-CDs@PVP熒光粉被激發(fā)出紅光，多種顏色的光相互混合獲得了廣范圍光譜的發(fā)射，并且實現(xiàn)了CRI值高達92的WLEDs(圖13(b))。使用CDs@BaSO4復(fù)合熒光粉和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物作為LED的光轉(zhuǎn)換層，通過調(diào)節(jié)二者的混合比例，可以控制g-CND中的PL重吸收，并獲得具有不同CIE坐標的LED(圖13(c))。當(dāng)CDs@BaSO4和PDMS的比例達到2∶1時，實現(xiàn)了CIE坐標、色溫、顯色指數(shù)、光輻射效力和發(fā)光效率分別為(0.34,0.39)、5 002 K、72、21 lm/W和11%的暖白光。另外，使用g-CDs@silica與PDMS混合物為光轉(zhuǎn)換層沉積在InGaN LED芯片上的LED具有最大發(fā)射中心分別在450 nm和558 nm，并且發(fā)射覆蓋到了長波長光所在的整個光譜區(qū)。這類LED具有以下參數(shù)：CIE坐標(0.33,0.34)；色溫5 603 K；顯色指數(shù)79；光輻射效力28 lm/W。

圖13 (a)基于g-CDs@NaCl復(fù)合熒光粉的WLED；(b)基于g-CDs@starch和r-CDs@PVP熒光粉的WLED；(c)基于g-CDs@BaSO4復(fù)合熒光粉的WLED；(d)基于碳納米點的多色LED。

Fig.13 (a) WLED based ong-CDs@NaCl composite phosphors. (b) WLED based on g-CDs@starch and r-CDs@PVP phosphors . (c) WLED based on g-CDs@BaSO4composite phosphor. (d) Fullcolor LED based on carbon nanodots.

利用合成出來的可見光波段的全彩色熒光碳納米點，我們首次采用微波輔助加熱法，使用硅酸鈉作為基質(zhì)材料，克服了碳納米點固態(tài)下聚集誘導(dǎo)熒光猝滅的問題，成功制備出熒光發(fā)射從藍到紅的碳納米點復(fù)合材料(熒光量子效率在30%以上)，并以此實現(xiàn)了基于碳納米點的多色LED以及白光LED照明器件(圖13(d))，所制備的碳納米點白光LED顯色指數(shù)達到了82.4。該工作提出了一種系統(tǒng)地調(diào)控碳納米點發(fā)光帶隙的方法，以及一種實現(xiàn)碳納米點固態(tài)發(fā)光的新方法，將推動碳納米點在生物醫(yī)療及光電器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3.2 氮摻雜碳納米點熒光粉用于可見光通信

利用ox-CDs這種可固態(tài)發(fā)光的碳納米點的特性，作為顏色轉(zhuǎn)換層應(yīng)用于發(fā)光二極管照明光源(LEDs)中，通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料的比例可以實現(xiàn)不同色溫的白光LEDs。并且利用其較短的熒光壽命(～6 ns)，將其作為光轉(zhuǎn)換層，應(yīng)用于可見光通信領(lǐng)域，實現(xiàn)了帶寬為285 MHz、信號傳輸速率為435 Mbps的可見光通信(圖14)。

圖14 (a)基于ox-CDs熒光粉的下轉(zhuǎn)換WLED發(fā)射光譜(插圖提供了設(shè)備的特性)；(b)不同顏色的筆帽用基于ox-CDs熒光粉的WLED照明的照片；(c)小信號頻率響應(yīng)及數(shù)據(jù)傳輸測量原理圖；(d)藍色激光二極管(峰值442 nm)和ox-CDs熒光粉產(chǎn)生的白光光譜(插圖：將ox-CDs涂入環(huán)氧樹脂(左)并產(chǎn)生白光(右)的印版照片)；(e)ox-CDs(黑線)和白光(紅線)源結(jié)合藍色激光和ox-CDs的頻率響應(yīng)，虛線對應(yīng)于系統(tǒng)的-3 dB帶寬；(f)使用ox-CDs(黑線)和白光(紅線)的OOK，不同數(shù)據(jù)速率下的BER，虛線表示FEC閾值3.8×103。

Fig.14 (a) Emission spectrum of a down-conversion WLED based on the ox-CDs phosphor. The inset provides characteristics of the device. (b) Photograph of pen caps with different colors illuminated with an ox-CD-based WLED. (c) Schematic diagram of the small-signal frequency-response and data transmission measurements. (d) Spectrum of the white light generated using blue laser diode (spike at 442 nm) and ox-CDs phosphor. Inset: photograph of plate that dope ox-CDs into the epoxy resin (left), and generated white light (right). (e) Frequency response of the ox-CDs (black line) and white-light (red line) source combining the blue laser and ox-CDs. The dotted line corresponds to the -3 dB bandwidth of the system. (f) BER at different data rates using OOK of the ox-CDs (black line) and white-light (red line). The dash line represents the FEC threshold of 3.8 × 10-3. Inset: eye diagramsversusdata rates of the ox-CDs-converted light at 150 Mbps, and white light at 300 Mbps.

3.3 氮摻雜碳納米點綠光波段光泵激光

碳納米點進一步發(fā)展所必須解決的問題是要揭示其發(fā)光機理。目前，碳納米點發(fā)光機理存在很大爭議，一些人認為是本征發(fā)光，另一些人認為是表面態(tài)發(fā)光。已報道的具有藍光發(fā)射的碳納米點具有明顯的吸收譜帶，發(fā)光動力學(xué)研究和理論計算結(jié)果證實其藍光發(fā)射為本征發(fā)光，并可以實現(xiàn)藍光波段的激光[26]。一些報道的具有綠光發(fā)射的碳納米點則沒有明顯的吸收譜帶，綠光譜段的熒光壽命長于藍光譜段的熒光壽命，被認為是表面缺陷發(fā)光[41]。在我們的實驗中，隨著氮元素摻雜含量的增加，可以得到具有純綠光發(fā)射的碳納米點[26]。該碳納米點在深藍光波段表現(xiàn)出明顯的吸收譜帶，并且該碳納米點的吸收譜帶和發(fā)射譜帶重疊最小，自吸收少，這有利于光增益。該碳納米點的激發(fā)態(tài)過程依賴于溶劑環(huán)境，在乙醇和水的混合溶劑中，可進一步降低光損耗，提高熒光量子效率，并觀測到放大自發(fā)輻射現(xiàn)象。以該碳納米點制備的基于平型腔結(jié)構(gòu)的光泵浦激光器件實現(xiàn)了綠光波段碳納米點激光(發(fā)散角小于2 mrad)(圖15)。

圖15 (a)不同功率密度下綠光碳納米點歸一化的發(fā)射光譜；(b)綠光碳納米點發(fā)射峰強度和FWHM對泵浦光功率密度的依賴關(guān)系；(c)在比色皿表面反射測量到的反射光譜；(d)碳納米點的激光光譜和閾值曲線；(e)碳納米點的激光遠場光斑；(f)碳納米點的激光強度隨偏振方向變化的曲線；(g)工作在激發(fā)功率為274 kW/cm2下的基于碳納米點的激光器的高分辨率發(fā)射光譜；(h)碳納米點與有機激光染料在相同強度激光照射下，發(fā)光峰強度隨時間變化的曲線。

Fig.15 (a) Normalized emission spectra of CNP2 ethanol aqueous solution(6 mg·mL-1) under various optically pumped pulse densities. (b) Pumping density dependence of output peak intensity (□) and FWHM value (·) of CNP2 ethanol aqueous solution (6 mg·m-1). (c) Measured reflectance spectra of the fabricated mirrors on a cuvette. (d) Emission spectra of the operating CNP-based laser device at the excitation power of 274 kW·cm-2(inset shows the dependence of the spectral peak intensity on the pumping density). (e) Far-field output beam profile at the excitation power of 274 kW·cm-2. (f) Relationship between the emission intensity and the polarization angle at the excitation power of 274 kW·cm-2(angle between collection polarizer and the pumping laser beam). (g) High-resolution emission spectra of the operating CNP-based laser device at the excitation power of 274 kW·cm-2(inset shows a portion of the same spectrum under higher resolution). (h) Plots of PL intensity of C545T ethanol solution(0.1 mg·mL-1) and CNP2 ethanol solution(0.1 mg·mL-1)versusirradiation time under a laser beam irradiation(λ=355 nm, pulse width 1 ns, 200 Hz repetition rate, 75 μJ output) at room temperature.

3.4 氮摻雜碳納米在信息加密及防偽中的應(yīng)用

所制備的綠光碳納米點(g-CDs)表面帶有大量的羧基、酰胺基等官能團，可使碳納米點對生物質(zhì)表現(xiàn)出較強的親和力，能夠選擇性地分散吸附在生物產(chǎn)品(如紙、皮膚、羽毛等)上，并表現(xiàn)出激發(fā)波長依賴的、增強的熒光發(fā)射。利用該性質(zhì)，可快速、準確地鑒別生物制品和化工制品(圖16(c)～(h))。利用所制備碳納米點激發(fā)波長依賴的特性，與有機染料(無激發(fā)波長依賴特性)配合，可在生物制品上構(gòu)筑具有信息加密的圖形(圖16(a)、(b))。

圖16 碳納米點墨水與商用有機綠光墨水在紙上書寫的數(shù)字在藍光(a)和綠光(b)激發(fā)下的熒光圖片；棉纖維(上)與尼龍纖維(下)未沾染碳納米點的光學(xué)照片(c)、藍光(e)和綠光(g)激發(fā)下的熒光照片；棉纖維(上)與尼龍纖維(下)沾染碳納米點的光學(xué)照片(d)、藍光(f)和綠光(h)激發(fā)下的熒光照片。

Fig.16 Fluorescent images on commercially available paper of characters composed from C-dot aqueous solutions and commercially available green fluorescent ink captured in exciter filter BP 450-480 nm, BA 515 nm, exposure time 50 ms(a) and exciter filter BP 510-550 nm, BA 590 nm, exposure time 150 ms(b). Optical image(c), and fluorescent images captured in exciter filter BP 450-480 nm, BA 515 nm, exposure time 50 ms(e) and exciter filter BP 510-550 nm, BA 590 nm, exposure time 150 ms(g) of adjacent cotton threads and nylon fibers that do not have a C-dot coating. Optical image(d), and fluorescent images captured with exciter filter BP 450-480 nm, BA 515 nm, exposure time 50 ms(f) and exciter filter BP 510-550 nm, BA 590 nm, exposure time 150 ms(h) of adjacent cotton threads and nylon fibers that have a C-dot coating.

圖17 (a)純化的v-CDot乙醇溶液和 (b)傳統(tǒng)CDot (m-CDots) 乙醇溶液的激發(fā)-發(fā)射三維圖； (c)時間分辨的PL衰減曲線：v-CDots(黑色)和m-CDots(紅色)；(d)使用v-CDots、m-CDots和市售綠色熒光染料在紙上書寫的加密信息。

Fig.17 Excitation-emission maps of the purified v-CDot ethanol solution(a) and m-CDot ethanol solution(b). (c) Time resolved PL decay curves of v-CDots(black) and m-CDots(red). (d) Fluorescence images of characters written on paper using v-CDots, m-CDots, and commercially available green fluorescent organic ink(see text for details).

由于v-CDot只有一個發(fā)光中心，而m-CDots是激發(fā)依賴的，同時它們的光穩(wěn)定性要好于有機染料，所以作者將其用于信息加密。首先如圖17，采用各種墨水進行書寫各個部分，然后再用藍光激發(fā)，看到888三個數(shù)字，之后用綠光激發(fā)，就只能看到具有激發(fā)依賴的m-CDots的紅光(345)，接下來再用強紫外猝滅掉有機染料的光，再用藍光激發(fā)，就只能看到由碳點發(fā)出的綠光了(999)。

除此之外，我們將微波法制備的綠光碳納米點與PVA復(fù)合，在經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，得到具有室溫磷光發(fā)射的復(fù)合材料。通過對碳納米點進行高溫預(yù)處理，使制備的碳納米點/PVA復(fù)合材料的磷光發(fā)射具有不同溫度響應(yīng)特性，并提出一種基于溫度控制的碳納米點/PVA復(fù)合材料用于磷光信息加密的方法(圖18)。

圖18 (a)使用不同的碳納米點書寫的加密文字示意圖；(b)3種復(fù)合材料退火后的復(fù)合圖案照片。

Fig.18 (a) Three overlapping patterns written with CzA@PVA (“CIOMP”), CD-2@PVA (“CD”), and CD-1@PVA (“ots”) composite. (b) Photographs of the combined patterns realized with the mentioned three kinds of composites after annealing at 80, 150, 200 ℃ (from top to bottom), under UV light excitation (left) and after switching UV light off (right).

在我們之前的工作[25]基礎(chǔ)上，利用溴代十二烷對該氮摻雜碳納米點進行表面修飾，并且該氮摻雜碳納米點在甲苯中自組裝而成“超級碳點”[27]。由于聚集導(dǎo)致其熒光猝滅，“超級碳點”發(fā)射出極弱的光致熒光。這種“超級碳點”遇水會分解成獨立的小尺寸碳點，進而會導(dǎo)致其光致熒光增強，同時，這種“超級碳點”的紙復(fù)合物會產(chǎn)生快速的水誘導(dǎo)光致發(fā)光增強現(xiàn)象。基于該現(xiàn)象，可以利用這種復(fù)合紙作為無墨打印紙進行噴水打印實現(xiàn)信息儲存和加密(圖19)，通過在這種復(fù)合紙上按壓指紋，可以精確地采集指紋上的激活狀態(tài)的汗孔分布(圖20)。

圖19 (a, b)在可見光(a)和可見兼紫外光(b)照射下用純水墨盒和HP-46 三色墨盒打印在“超級碳點”復(fù)合紙上的照片(標尺為1 cm)；(c)純水墨盒打印在“超級碳點”復(fù)合紙上紫外輻照照片(標尺為1 cm)；(d)紫外光照射下噴水前后用“超級碳點”甲苯溶液作為墨水書寫字母C的照片(標尺為5 mm)；(e)用“超級碳點”甲苯溶液作為墨水書寫的水誘導(dǎo)熒光增強和用商用熒光筆書寫的字母C的光穩(wěn)定性測試照片。

Fig.19 (a, b) Photographs of printed image of supra-CDs coated paper using purely water-filling (3 mL) and HP 46 tricolor cartridges under daylight (a) and under UV and daylight (b)(scale bar is 1 cm). (c) Photographs of printed image of supra-CDs coated paper only using purely water-filling (3 mL) cartridges under a UV lamp (scale bar is 1 cm). (d) A handwritten image of “C” on commercially available filter paper with a supra-CDs toluene solution filled fountain pen before and after water-spraying treatment under UV excitation (scale bar is 5 mm). (e) Photostability of water induced luminescent image of “C” written with supra-CDs toluene solution (left) and luminescent image of “C” written with commercially available highlighter pen (right) (scale bar is 1 mm).

3.5 氮摻雜碳納米點的生物毒性研究

無毒是一類材料能夠在現(xiàn)實生活中應(yīng)用的前提條件。與半導(dǎo)體量子點相比，碳納米點具有低細胞毒性和優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點。此前，我們報告了一種簡單、低成本的一步法微波合成方法，研制出了在綠光波段高效本征發(fā)光的水溶性碳納米點(g-CDs)[25]，以及它們作為新型生物相容性熒光油墨的應(yīng)用。并且，對該碳納米點進行了動物和植物實驗。動物試驗中，20只大白鼠平均分成兩組，其中一組只飲用所制備的氮摻雜碳納米點水溶液(0.7 mg/mL)，另一組作為參照組飲用普通水。實驗中，飲用5周氮摻雜碳納米點水溶液后的大白鼠都能夠存活，其外觀、活動狀況與參照組的大白鼠沒有明顯區(qū)別。在飲用氮摻雜碳納米點水溶液的大白鼠的尿液中，檢測到了所制備氮摻雜碳納米點的熒光信號(圖21(a))。大白鼠停止飲用氮摻雜碳納米點水溶液，并改為飲用普通水5周后，在其尿液中未檢測到所制備氮摻雜碳納米點的熒光信號(圖21(b))，表明所制備的氮摻雜碳納米點可經(jīng)泌尿系統(tǒng)代謝體外。植物試驗中，將綠豆種子浸泡到所制備的氮摻雜碳納米點水溶液(1.5 mg/mL)中，綠豆種子正常發(fā)育，并生長成為具有熒光特性的豆芽(圖21(c))。以上實驗證明，所制備的氮摻雜碳納米點對動物體和植物體無毒或低毒，可安全地應(yīng)用到日常生活中。

圖20 (a) “超級碳點”復(fù)合紙上用手指按壓留下的指紋汗孔熒光照片(標尺為5 mm)；(b)為了得到后續(xù)更好的疊加圖片，使用Photoshop處理后的(a)圖中標示區(qū)域放大的熒光照片(標尺為2 mm)；(c)對比度增強熒光亮點疊加在數(shù)碼指紋圖像上的照片(標尺為2 mm)；(d)是(c)中標示區(qū)域的放大圖(標尺為0.5 mm)；(e, f)取自同一施主的兩張獨立的對比度增強熒光亮點指紋汗孔熒光圖像，為了對比，使用Photoshop 處理成紅色(e)和藍色(f)(標尺為2 mm)；(g)是(e)和(f)疊加圖(標尺為2 mm)；(h)是(g)標示區(qū)域的放大圖。

Fig.20 ( a) Photograph of a fingerprint image printed onsupra-CD-coated paper (scale bar is 5 mm). (b) Fluorescence microscope images of the magnified fingerprint area marked in (a) using a Photoshop programme for a better subsequently superimposed image (scale bar is 2 mm). (c) Superimposed image of contrast-enhanced luminescent dots on a digital fingertip image (scale bar is 2 mm). (d) Magnified image of the marked area in (c) (scale bar is 0.5 mm). (e, f) Two independently printed contrast-enhanced luminescent microscope fingerprint images deposited by same donor. The red (e) and blue (f) coloured images are intentionally generated using a Photoshop programme for comparison purposes (scale bar is 2 mm). (g) Superimposed images displayed in (e) and (f) (scale bar is 2 mm). (h) Magnified image in the marked area in (g) (scale bar is 0.5 mm).

3.6 近紅外吸收和發(fā)射碳納米點用于生物成像

發(fā)光碳納米點具有無毒、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。生物組織對近紅外光(700～1 700 nm)的吸收和散射較弱，在近紅外區(qū)進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，對其臨床應(yīng)用具有重要意義。但是，現(xiàn)有的碳納米點吸收和發(fā)射譜帶主要位于紫外-可見區(qū)，還不能實現(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，這嚴重限制了碳納米點在生物熒光成像特別是活體近紅外熒光成像中的應(yīng)用。然而，利用NIR-CDs在近紅外區(qū)表現(xiàn)出的優(yōu)越的光學(xué)特性，在活體小鼠胃內(nèi)成功使用經(jīng)聚吡咯烷酮(PVP)修飾的碳納米點進行了近紅外熒光成像。這項工作第一次展示了具有近紅外吸收及發(fā)光特性的碳納米點應(yīng)用在近紅外熒光成像(圖22)。

3.7 近紅外發(fā)射碳納米點的被動靶向高效光熱療法

由于紅外光對生物體表皮有著很強的穿透作用。因此，一直以來將具有近紅外吸收和發(fā)射的發(fā)光材料應(yīng)用于生物領(lǐng)域都是科研中的一大熱點課題。本課題組的鮑鑫等[42]通過溶劑熱法，以檸檬酸和尿素為原料，以DMSO為溶劑，合成了具有高光熱轉(zhuǎn)換效率的近紅外發(fā)光碳納米點。同時該碳納米點可實現(xiàn)光聲成像，且在生物體內(nèi)可富集于腫瘤部位。由于該碳納米點中摻雜了硫元素，所以對比此前報道的紅光碳納米點，吸收波長實現(xiàn)了紅移，在655 nm的激發(fā)光下，得到了發(fā)光中心位于720 nm左右的熒光，并延展到近紅外區(qū)。該碳納米點具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，在655 nm波長的激光照射下，該近紅外發(fā)光碳納米點的光熱轉(zhuǎn)換效率可達到59%，是目前已報道的碳納米點的最高值。

光熱療法是近年來新興的一種腫瘤治療方法，優(yōu)點是對身體其他部位影響很小，且不會引起腫瘤的擴散。光熱療法需要具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的納米材料對腫瘤實施治療。該碳納米點具備近紅外吸收和發(fā)射，同時具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，有潛力應(yīng)用于生物診療領(lǐng)域。通過前期的MTT毒性檢測，發(fā)現(xiàn)該碳納米點對于Hela細胞、4T1細胞和HepG2細胞均沒有明顯的毒性(圖23)。隨后進行的細胞光熱實驗結(jié)果表明在較低功率密度(1 W/cm2)的655 nm激光照射下，Hela細胞全部死亡，細胞光熱實驗的結(jié)果為活體腫瘤的光熱治療提供了可能。在隨后進行的碳點在活體內(nèi)的毒性檢測，發(fā)現(xiàn)小鼠經(jīng)過靜脈注射碳納米點溶液后腎臟的熒光明顯增強。同時，小鼠尿液中也檢測到了熒光成分，且熒光在5 h內(nèi)基本消失，從中可以推測出大部分碳納米點短時間內(nèi)經(jīng)過尿液代謝出體外。將該碳納米點通過尾部靜脈注射到身體已經(jīng)種植了腫瘤的小鼠體內(nèi)后，通過熒光成像，發(fā)現(xiàn)一部分碳納米點富集于腫瘤部位，并在3 h達到頂峰(圖24)。并且光聲成像進一步證明了這一點?；谔技{米點對腫瘤的靶向作用，以及較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，我們首次實現(xiàn)了基于碳納米點靜脈注射的活體光熱治療(圖25)。

圖21 (a)大白鼠飲用氮摻雜碳納米點水溶液5周后的尿液在不同波長激發(fā)下的熒光光譜；(b)大白鼠停止飲用氮摻雜碳納米點水溶液5周后的尿液在不同波長激發(fā)下的熒光光譜；(c)在氮摻雜碳納米點水溶液中生長的豆芽在不同波長光照射下的照片(從左至右：白光、紫外光、藍光、綠光)。

Fig.21 (a) Fluorescence spectra excited by various wavelengths of the rat urine after drinking the carbon nanodots water solution for five weeks. (b) Fluorescence spectra excited by various wavelengths of the rat urine after stopping drink the carbon nanodots water solution for five weeks. (c) Photos of the bean sprouts growing in the carbon nanodots water solution under various light irradiation (from left to right: white, UV, blue, green).

圖22 (a)CD/PVP薄膜的吸收和PL光譜；(b)用CD/PVP書寫的“CIOMP”在日光(上)和在732 nm激發(fā)下并且經(jīng)過800 nm的濾光片之后(下)的照片；碳納米點在PVP水溶液中灌入小鼠胃前(c)和后(d)的近紅外熒光成像。

Fig.22 (a) Absorption and PL spectra of CD/PVP film (signal of 732 nm laser was removed and replaced with dots). (b) Photograph of characters “CIOMP” written by using CD/PVP ink in daylight (upper) and a fluorescence image through an 800 nm long pass optical filter under excitation of a 732 nm laser (lower). (c, d)InvivoNIR fluorescence images of a mouse before (c) and after (d) gavage injection of CDs in PVP aqueous solution. (Ex: 671 nm, Em: 750 nm long pass optical filter/200 ms)

圖23 紅外發(fā)射碳納米點的細胞毒性和生物分布。(a)HeLa細胞在不同濃度(0～1 000 μg·mL-1)的碳納米點水溶液中培養(yǎng)24 h的相對生存情況；(b)培養(yǎng)在PBS溶液和碳納米點的水溶液中的HeLa細胞在655 nm激光照射下的共聚焦顯微鏡圖像(標尺：200 μm)；(c)沒注射和注射碳納米點水溶液(0.2 mL,1 000 μg·mL-1)的小鼠的主要器官在不同時間點的近紅外熒光成像(左)和在相應(yīng)的時間點采集的小鼠尿液在明場和近紅外熒光成像照片。使用具有氙燈激發(fā)的Fluor Vivo Model-300體內(nèi)光學(xué)成像系統(tǒng)獲取NIR熒光圖像。激發(fā)波長為639～713 nm，熒光收集波長為714～780 nm。

Fig.23 Cytotoxicity and biodistribution of the CDs. (a) Relative cell viabilities of HeLa cells that were incubated with aqueous CD solution at various concentrations (0-1 000 μg·mL-1) for 24 h. (b) Confocal fluorescence images of HeLa cells that were incubated in PBS solution and aqueous CD solution (200 μg·mL-1) after irradiation by the 655 nm laser at 1 W·cm-2for 10 min; scale bar: 200 μm. (c) NIR fluorescence images of dissected major organs from mice without and with intravenous injection of aqueous CD solution (0.2 mL, 1 000 μg· mL-1) after various time points (left) and bright field and NIR fluorescence images of urine that was collected at the corresponding time points (right). The NIR fluorescence images were acquired using a Fluor Vivo Model-300invivooptical imaging system with xenon lamp excitation. The excitation wavelength was 639-713 nm and the fluorescence collection channels were 714-780 nm.

圖24 近紅外發(fā)射碳納米點在生物體內(nèi)的被動靶向。(a)靜脈注射碳納米點水溶液(0.2 mL，1 000 μg·mL-1)后，在不同時間點小鼠身體的NIR熒光圖像；(b)在注射后各種時間點從小鼠解剖的H22腫瘤的NIR熒光；(c)在注射后3 h從小鼠解剖的主要器官和H22腫瘤的NIR熒光；(d)靜脈注射碳納米點水溶液后，在不同時間點小鼠體中4T1腫瘤的PA MAP圖像和B-scan PA圖像。

Fig.24 Passive targeting of CDsinvivo. (a) NIR fluorescence images of mouse bodies after intravenous injection of CDs (0.2 mL, 1 000 μg·mL-1) at various time points. (b) NIR fluorescence of H22 tumors that were dissected from mice at various postinjection time points. (c) NIR fluorescence of major organs and H22 tumors that were dissected from mice at 3 h postinjection. (d) PA MAP images and B-scan PA images of 4T1 tumors in mice after intravenous injection with CDs at various time points.

圖25 以近紅外發(fā)射碳納米點為基礎(chǔ)的靜脈注射光熱療法。(a)1 W/cm2的655 nm激光在通過靜脈注射碳納米點水溶液的小鼠腫瘤區(qū)域照射10,60,120,180,240,300 s的紅外熱圖像；(b)小鼠腫瘤部位的溫度作為照射持續(xù)時間的函數(shù)；(c)在各種治療條件下在活鼠中記錄H22腫瘤發(fā)展的照片；(d)小鼠H22腫瘤的腫瘤生長曲線和治療后組的存活率；(e)PTT之后的小鼠和對照組小鼠的心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟的蘇木素伊紅(H&E)染色切片，比例尺：50 μm。

Fig.25 Photothermal therapyviaintravenous injection based on CDs. (a) IR thermal images of mice with intravenous CDs injected at 10, 60, 120, 180, 240, 300 s under irradiation at the tumor region by 655 nm laser at 1 W/cm2. (b) Temperature at mouse tumor sites as a function of the irradiation duration. (c) Photographs that document H22 tumor development on several days in live mice under various treatment conditions. (d) Tumor growth curves of H22 tumors in mice and survival rates of the groups after therapy. (e) Hematoxylin and eosin (H&E)-stained slices of heart, liver, spleen, lung, and kidney tissues of mice after PTT and control treatments. Scale bar: 50 μm.

4 結(jié) 論

發(fā)光碳納米點作為近年來一種新型的納米發(fā)光材料，因其低毒性、生物相容性、光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較好、易于合成等優(yōu)點，在照明、光通信和生物等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。目前，雖然碳納米點的合成方法多種多樣，并且在全可見光波段發(fā)光取得了許許多多的進展，然而如何實現(xiàn)碳納米點的高效率發(fā)光尤其是固態(tài)下的高效發(fā)光以及在生物領(lǐng)域最具應(yīng)用價值的近紅外區(qū)的吸收和發(fā)射，仍然存在著諸多挑戰(zhàn)。此外，碳納米點的發(fā)光機理仍然不是很清晰，設(shè)計可行嚴謹?shù)膶嶒炦M一步探索碳納米點的發(fā)光機理可為提高碳納米點的發(fā)光量子效率、實現(xiàn)碳納米點發(fā)射光譜半峰寬的窄化以促進碳納米點在光通信、顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

總之，通過優(yōu)化合成工藝，我們在碳納米點的高光熱轉(zhuǎn)化效率、高固態(tài)發(fā)光效率[43-44]、高光穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性以及基于碳納米點的高效復(fù)合熒光粉等方面取得了一定的成果，并且通過表面修飾使碳納米點可以與特定靶向分子或藥物分子結(jié)合形成具有快速、精確檢測熒光信號的碳納米點基探針和載體[45]，借助先進的生物成像技術(shù)，對小鼠皮下腫瘤進行光熱治療，為碳納米點在生物學(xué)領(lǐng)域研究提供了重要方向，為疾病的診斷和治療提供了一種新技術(shù)、新方法。