紅光/近紅外發(fā)射碳點制備、光學(xué)調(diào)控與應(yīng)用

徐冀健，曲 丹，安 麗，汪夏燕，孫再成

(北京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生物系 綠色催化與分離北京市重點實驗室 環(huán)境安全與生物效應(yīng)中心，北京 100124)

1 引 言

碳點自2004被研究人員發(fā)現(xiàn)[1]以來已成為一種新興的碳基材料，由于具有獨特的化學(xué)和物理特性、較高的抗光漂白性能、良好的生物相容性以及低毒性等優(yōu)良性質(zhì)引起了研究者的極大興趣。從微觀結(jié)構(gòu)上來看，碳點通常被認為是一組直徑小于10 nm的超小、具有光致發(fā)光性質(zhì)的碳納米結(jié)構(gòu)，包括石墨烯量子點(GQDs)、碳量子點(CQDs)、碳納米點(CNDs)和聚合物點[2]。盡管擁有這些優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，但是目前大多數(shù)的碳點僅能在藍光區(qū)域表現(xiàn)出發(fā)射，與傳統(tǒng)量子點相比發(fā)射效率相對較低，因此碳點的應(yīng)用受到了限制。例如在生物成像方面藍綠光的發(fā)射不能深入穿透組織[3]，還可能受生物自體熒光干擾。因此，合成具有強紅光/近紅外(NIR)發(fā)射的碳點已被公認為是在大多數(shù)領(lǐng)域促進碳點實際應(yīng)用的關(guān)鍵[4]?；诖蠖鄶?shù)合成出的碳點都只有藍綠光發(fā)射的原因，碳點領(lǐng)域研究者們一直希望設(shè)計合成出紅光碳點。Hao通過調(diào)控激發(fā)波長可將碳點熒光發(fā)射調(diào)控至650 nm處[5]，Qu報道了擁有三種原色發(fā)光最長發(fā)射可達650 nm的紅光碳點[6]，Pan也得到了量子產(chǎn)率26.2%的紅光碳點[7]。但這些報道中的碳點存在激發(fā)依賴發(fā)射現(xiàn)象，這種激發(fā)依賴發(fā)射得到的熒光強度很弱，量子產(chǎn)率低。Lin 課題組以芳香類化合物作為前驅(qū)體合成得到的碳點克服了這些缺點[8]，以對苯二胺為前驅(qū)體合成的碳點在604 nm有無激發(fā)波長依賴的紅光發(fā)射；Qu課題組也通過選擇合適反應(yīng)溶劑得到紅光發(fā)射可達638 nm的全彩色碳點體系[9]；Lu同樣利用苯二胺將碳點的熒光發(fā)射拓展至近紅外區(qū)域[10]。這些工作為紅光/近紅外發(fā)射碳點的合成研究提供了新的思路。此后涌現(xiàn)了許多紅光/近紅外發(fā)射碳點的新工作新進展。本文主要介紹和總結(jié)了這些R/NIR-CDs的前驅(qū)體、光學(xué)調(diào)控機理以及實際應(yīng)用的最新進展。

近年來，紅光/近紅外發(fā)射碳點文章數(shù)量穩(wěn)步增長，極大地推進了其研究進程。針對前文所提到的大多數(shù)紅光碳點具有激發(fā)波長依賴的發(fā)射、熒光量子產(chǎn)率(PLQY)不高并且隨著波長的增加強度迅速下降等問題[11]，如何合理控制前驅(qū)體、探索總結(jié)發(fā)光紅移的光致發(fā)光機理并加以應(yīng)用尤為重要。本文側(cè)重于闡述最近幾年來R/NIR-CDs的典型前驅(qū)體及其合成碳點，總結(jié)其光學(xué)調(diào)控的方法、熒光發(fā)光機理以及生物與醫(yī)藥學(xué)等方面應(yīng)用的最新進展。最后，提出了紅光碳點未來研究面臨的主要挑戰(zhàn)和展望。針對目前R/NIR-CDs研究中的薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)完善制度，希望有助于推動碳點在生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

2 典型紅光/近紅外發(fā)射碳點合成制備前驅(qū)體

2.1 檸檬酸

在眾多前驅(qū)體中，檸檬酸(CA)由于在結(jié)構(gòu)上具有多個羥基和羧基，在碳點合成過程中既可以使得碳點表面獲得羧基羥基等官能團，又可以與其他前驅(qū)體成環(huán)或自身閉環(huán)增加有效共軛長度，因而是自下而上法制備碳點最常用前驅(qū)體之一[12]。而尿素作為最常見的氮摻雜氮源，常用于與CA溶劑熱生成紅色熒光碳點。Miao從CA和尿素出發(fā)，通過改變反應(yīng)溫度和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中CA/尿素的比例合成了多色發(fā)射CDs[13]。通過控制反應(yīng)條件(圖1)如提高反應(yīng)溫度和CA/尿素比，可以分別得到藍綠紅三色碳點。當溫度為200 ℃、CA和尿素的量比大于0.7時可以得到熒光量子效率12.9%、發(fā)射位于630 nm的紅光碳點。作者認為較高的溫度與CA/尿素比提高了碳點的石墨化程度和羧基含量，這使得碳點發(fā)光由藍綠變?yōu)榧t色。

圖1 不同檸檬酸/尿素量比和不同反應(yīng)溫度下碳點的最大發(fā)射峰[13]Fig.1 Maximum emission peak of CDs under different citric acid/urea molar ratio and different reaction temperature[13]

2020年，Su同樣使用檸檬酸和尿素經(jīng)溶劑熱法合成了富氮碳點[14]。將得到的碳點采用表面電荷工程處理(用氫氧化鈉和鹽酸溶液處理)，使其具有紅光發(fā)射性能，具有單發(fā)射中心和激發(fā)波長依賴性的光學(xué)特性。其在555 nm的激發(fā)波長下，最大發(fā)射波長為605 nm。XRD數(shù)據(jù)在27.1°處出現(xiàn)了一個尖峰，對應(yīng)于石墨結(jié)構(gòu)的(002)面，這表明CDs核心部分的高共軛sp2域占據(jù)了主要位置。

同年，Shen同樣也以檸檬酸、尿素和DMF為原料，采用溶劑熱法合成碳點[15]。將檸檬酸和尿素以1∶2的比例分散在DMF溶劑中，在烘箱中160 ℃加熱4 h。反應(yīng)后得到的碳點溶液離心處理去除固體。將上清液溶于乙醇并繼續(xù)離心三次，干燥后最終得到碳點粉末，其最大激發(fā)-發(fā)射中心分別位于594 nm和654 nm，該深紅色碳點量子產(chǎn)率為22%。其FTIR數(shù)據(jù)(圖2)證明了檸檬酸-尿素體系碳點表面存在豐富的羧基、羥基、氨基等官能團。這與之前的許多報道一致[16-17]。

圖2 檸檬酸碳點的FTIR光譜[15]Fig.2 FTIR spectrum of citrate CDs[15]

除了使用尿素以外，研究者還使用其他氮源與檸檬酸反應(yīng)來合成碳點。Li最近使用硫脲與檸檬酸、二甲基甲酰胺溶劑熱合成表面富含酰胺等基團的碳點[18]，將制得的碳點分兩步分別與氫氧化鈉溶液和鹽酸溶液混合收集沉淀，最終得到非金屬陽離子功能化碳點(h-CDs)，其在550 nm的激發(fā)下，在610 nm處有很強的紅光發(fā)射(熒光量子產(chǎn)率為24.0%)。在其紫外-可見光譜中發(fā)現(xiàn)了540 nm處的可見特征峰，這表明碳點中存在大尺寸的共軛sp2結(jié)構(gòu)域。這些研究表明，調(diào)控共軛sp2結(jié)構(gòu)域和表面電荷工程都有利于碳點發(fā)射紅移。

2.2 苯二胺類

眾所周知，自下而上制備CDs的最常用方法就是溶劑熱/水熱法，在CDs研究早期，前驅(qū)體使用較多的是一些有機小分子，如前文提到的檸檬酸-尿素體系。經(jīng)過對這些實驗結(jié)果的分析，研究者們普遍得出提高碳點中的有效共軛長度可以促進碳點發(fā)射紅移。芳香類有機分子中先天具有很好的共軛結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反應(yīng)后其共軛結(jié)構(gòu)很有可能得到保留，這樣就極大地提高了碳點中的有效共軛長度。苯二胺類作為芳香類有機分子中的典型代表近年來被廣泛用于合成R/NIR-CDs的實驗之中。

2.2.1 對苯二胺

對苯二胺作為紅光碳點前驅(qū)體的最著名例子是Jiang于2015年報道的[8],采用3種苯二胺同分異構(gòu)體,即鄰苯二胺、間苯二胺、對苯二胺溶劑熱合成多色碳點，分別發(fā)出明亮的綠光、藍光和紅光(圖3)。在元素組成完全一致的前提下，對苯二胺相比于其他兩種同分異構(gòu)體發(fā)射紅移明顯且量子效率最高。

圖3 由3種不同的苯二胺異構(gòu)體制備的碳點[8]Fig.3 CDs prepared from three different phenylenediamine isomers[8]

2020年，Jiao將對苯二胺溶于超純水中[19]，通過加入一定量的磷酸和氨水來調(diào)節(jié)溶液的pH值，在200 ℃下反應(yīng)8 h。結(jié)果表明，隨著前驅(qū)體溶液由堿性向酸性轉(zhuǎn)變，光致發(fā)光的波長有一定的紅移趨勢。分別以R-CDs、Y-CDs和G-CDs表示酸性、中性、堿性條件下合成的發(fā)射紅色、黃色和綠色熒光的碳點。在365 nm紫外照射下，R-CDs、Y-CDs、G-CDs的最佳激發(fā)波長和發(fā)射波長分別位于516/615 nm、370/560 nm和361/515 nm，并伴有紅色、黃色和綠色光致發(fā)光。同年，Dong等報道了使用對苯二胺、檸檬酸和植酸的混合物，以甲酰胺為溶劑，采用溶劑熱方法于180 ℃溫度下加熱4 h，制得紅光發(fā)射碳點[20]，在590 nm的激發(fā)下在620 nm處有紅光發(fā)射。作者將淀粉與該碳點以40∶1的比例在甲醇溶液中攪拌混合后得到的R-CDs/淀粉繼承了原碳點的熒光性質(zhì)，并且拓寬了吸收光譜，具有很好的實際應(yīng)用潛力。

2.2.2 鄰苯二胺

雖然在Jiang的實驗中鄰苯二胺只有較強的綠光發(fā)射，但經(jīng)過研究者的不斷探索與努力，許多以鄰苯二胺作為前驅(qū)體的紅光碳點被報道。Wang最近用鄰苯二胺合成出了一系列多色碳點[21]。其中將鄰苯二胺和硫酸水熱反應(yīng)得到了紅光碳點，其最大發(fā)射位于635 nm處。相對于其他短波長發(fā)射碳點，紅光發(fā)射碳點同樣需要相對最高的加熱溫度(200 ℃ 6 h)，與其他紅光碳點報道一致。同年，Hu將雙氰胺和鄰苯二胺在酸性條件下用水熱法制得了高效紅光雙發(fā)射碳點[22]。所得碳點在630 nm和680 nm處表現(xiàn)出非激發(fā)依賴雙發(fā)射(圖4)，在水中量子產(chǎn)率為30.2%。值得注意的是，鄰苯二胺、雙氰胺和H2SO4都有助于形成具有高效紅色雙發(fā)射的CDs。在沒有鄰苯二胺的情況下，只能得到藍色熒光產(chǎn)物。如果在合成過程中不加入雙氰胺，合成的CDs也不會發(fā)出紅色熒光，這與之前報道的鄰苯二胺和H2SO4體系的結(jié)果一致。此外，他還研究了H2SO4在紅色雙發(fā)射CDs形成過程中的作用。在合成過程中如果沒有H2SO4，合成的CDs顯示黃色熒光，因此，可以認為鄰苯二胺、雙氰二胺、氫離子和硫酸根離子共同作用制備了具有高效紅色雙發(fā)射的CDs。過硝酸氧化活性炭得到了平均直徑為5 nm的具有綠色熒光的碳點，同時用硼氫化鈉后處理還原碳點發(fā)現(xiàn)其熒光量子產(chǎn)率從2%提高到了11%，作者分析認為，化學(xué)還原增加了碳點上羥基的數(shù)量，同時減少了羰基的數(shù)量，從而增加了表面態(tài)發(fā)光，提高了熒光量子產(chǎn)率。酸氧化法制備碳點方法簡單，實驗設(shè)備要求較低，但是制備碳點的產(chǎn)率普遍偏低，分離較為困難，并且一般需要對碳點進行后處理鈍化。

圖4 非激發(fā)依賴雙發(fā)射鄰苯二胺碳點光致發(fā)光光譜[22]Fig.4 Non-excitation-dependent dual emission o-phenylenediamine CDs photoluminescence spectra[22]

2.3 其他典型前驅(qū)體

除了使用以上幾種有機小分子作為前驅(qū)體外，近年來研究人員也常常使用一些較為復(fù)雜的含有共軛結(jié)構(gòu)的大分子合成紅光碳點。合成過程中，這些前驅(qū)體中固有共軛電子結(jié)構(gòu)可能被部分保留，有利于使得制得的碳點有效共軛長度增加，發(fā)射紅移。有些還可能保留原前驅(qū)體一些化學(xué)性質(zhì)，有利于碳點的實際應(yīng)用[23]。He采用一步水熱法制備紅光碳點。將檸檬酸和紅花堿T溶于高純水中，170 ℃加熱6 h合成出最大發(fā)射波長為595 nm的碳點[24]。紅花素T是一種中草藥提取成分，含有苯環(huán)共軛結(jié)構(gòu)。因此該碳點具有很好的生物相容性。

Zhang在2020年設(shè)計使用二硫代水楊酸和三聚氰胺溶劑熱得到了在高溫和強藍光照射下具有較高的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性的紅光碳點[25]，具有無激發(fā)波長依賴620 nm的紅光發(fā)射。XPS表征顯示前驅(qū)體的氮和硫元素成功進入了碳點。在溶劑熱條件下，二硫代水楊酸和三聚氰胺發(fā)生水解，形成納米級石墨核，經(jīng)過水解和酰胺化反應(yīng)碳點表面含有大量疏水基團。這樣的處理使得碳點表面態(tài)更加穩(wěn)定，有效提高了其熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。

與此同時，以生物質(zhì)作為前驅(qū)體合成紅光/近紅外發(fā)射碳點的工作近年來也引起了碳點研究人員的注意，其中具有代表性的是2020年Liu在AdvanceMaterials上發(fā)表的以紅豆杉干葉為原料合成深紅色發(fā)射碳點[26]。CDs在紫外光激發(fā)下有很強的深紅色熒光，并在 673 nm 處出現(xiàn)與激發(fā)無關(guān)的發(fā)射峰，其半高寬(FWHM)僅20 nm，是目前發(fā)表的紅光/近紅外發(fā)射碳點文章中最窄的。由于碳點原料為天然物質(zhì)，因此具有低毒性和良好的生物相容性，這也有利于其在生物與醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

3 紅光/近紅外發(fā)射碳點光學(xué)調(diào)控

3.1 尺寸效應(yīng)

經(jīng)過多年的實驗探索，碳點研究者們發(fā)現(xiàn)許多因素如顆粒大小、雜原子摻雜、表面態(tài)等，可以有效地對紅色CDs的光學(xué)性質(zhì)起到調(diào)控作用。與傳統(tǒng)量子點PL性質(zhì)的尺寸量子化效應(yīng)不同，在某些情況下，CD粒子的總體尺寸會影響碳核中共軛域的尺寸，而共軛域的尺寸會影響其PL性質(zhì)[27]。

2017年，Ehrat以檸檬酸和乙二胺為前驅(qū)物合成CDs并詳細探究了該碳點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)[28]。作者設(shè)計了不同實驗，分別在特定的時間內(nèi)停止加熱取出產(chǎn)物進行性質(zhì)表征，發(fā)現(xiàn)碳點會在前30 min內(nèi)體積迅速增大，而后體積基本無太大變化。但是，隨著加熱時間的延長碳點內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化很大。隨著時間的推移，芳香結(jié)構(gòu)域出現(xiàn)并且尺寸不斷增大，作者推斷這導(dǎo)致了所合成碳點獲得額外的吸收和長波長發(fā)射。這一發(fā)現(xiàn)提供了一種靈活的方法，改變碳點的體積從而改變其發(fā)光性質(zhì)，獲得紅光發(fā)射碳點。2019年，Rogach小組構(gòu)思合成出了一種“種子碳點”[29]，用檸檬酸、尿素和DMF作為反應(yīng)物合成“種子”，再通過控制碳點種子的數(shù)量密度和反應(yīng)時間，制備了一系列最大發(fā)射可達596 nm的固態(tài)熒光碳點(圖5)。作者將碳點發(fā)光紅移歸因于碳點顆粒中π-共軛域的大小變化，以及大顆粒中石墨氮摻雜量的增加。并用理論模型證明了碳點的發(fā)光性質(zhì)與粒子尺寸相關(guān)。

圖5 通過控制種子數(shù)量和反應(yīng)時間得到不同大小和不同程度的π-共軛結(jié)構(gòu)域CDs示意圖，光環(huán)代表CDs的PL顏色[29]。Fig.5 By controlling the number of seeds and the reaction time,a schematic diagram of π-conjugated domain CDs of different sizes and degrees is obtained.The halo represents the PL color of the CDs[29].

2020年，Wang以鄰苯二胺前驅(qū)體，通過與不同的酸溶劑熱法制備了從藍色到紅色的可調(diào)熒光碳點[21]。這種反應(yīng)條件下產(chǎn)生的碳點表面吸電子基團的增長使其光致發(fā)光發(fā)生紅移，粒子尺寸明顯增大。利用理論計算得到的能帶能量隨著碳點尺寸的增大逐漸從2.76 eV減小到1.88 eV，進一步證明了碳點的尺寸效應(yīng)。同時，通過紫外光電子能譜法確定了最高已占據(jù)分子軌道(HOMO)能級，根據(jù)光帶隙能量和HOMO能級得到最低的未占據(jù)分子軌道(LUMO)。從圖中可以看出，隨著碳點尺寸的增加，帶隙明顯減小，發(fā)光向紅光區(qū)域移動。

由此可見，在紅光調(diào)控過程中，增大碳點的尺寸是卓有成效的常見的光學(xué)調(diào)控方法。但是，尺寸效應(yīng)的應(yīng)用不是單純增加碳點尺寸，還需要與其他因素相結(jié)合形成協(xié)同效應(yīng)。

3.2 雜原子摻雜

大量報道指出，雜原子(包括非金屬原子和金屬離子)的摻入會顯著改變碳點的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，有目的性地選擇使用特定雜原子進行摻雜可以有效控制碳點的PL特征和調(diào)節(jié)其發(fā)射波長[30]。

3.2.1 非金屬原子摻雜

在碳點的非金屬摻雜的報道中，N元素摻雜無疑是最多的，這是由于N元素天生具有的一系列性質(zhì)的優(yōu)勢決定的。N元素原子半徑與C元素相近、其電子構(gòu)型獨特且電負性較大，這些性質(zhì)使得用N元素來改變碳點電子密度從而改變其內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)成為可能。近年來，研究者對于這方面的工作進行了大量的研究。

2016年，Hola將尿素和CA在甲酰胺溶液中進行熱處理[31]，然后根據(jù)表面電荷差異進行柱層析分離，制備了具有全色發(fā)射的CDs。將得到的藍、綠、黃、紅發(fā)射的CDs分別記為b-CDs、g-CDs、y-CDs和r-CDs。N以胺/酰胺的形式存在于g-CDs和b-CDs中，y-CDs和r-CDs中以石墨N為主(圖6)。CDs結(jié)構(gòu)中石墨氮的增加會在HOMO和LUMO之間產(chǎn)生中間隙態(tài)，導(dǎo)致吸收和發(fā)射紅移。

圖6 b-CDs(a)、g-CDs(b)、y-CDs(c)和r-CDs(d)的高分辨率N1s XPS譜[31]。Fig.6 High resolution N1s XPS spectra of b-CDs(a)，g-CDs(b)，y-CDs(c)and r-CDs(d)[31].

同年，Guo將兩種聚噻吩衍生物(一種含有羧基，另一種含有季銨鹽)以不同比例混合后在氫氧化鈉中水熱法制得6種碳點[32]，這6種碳點的熒光發(fā)射峰從482 nm一直到680 nm。作者從這個系列碳點的多種表征中發(fā)現(xiàn)，隨著含有季銨鹽的聚噻吩衍生物在原料中比例上升，碳點的發(fā)光紅移并且其N含量呈現(xiàn)出明顯的增加(由<0.3%增加至3%)。作者推斷這是由于季銨鹽引入的N的摻雜效應(yīng)使得碳點表面態(tài)趨于均勻，能級降低繼而發(fā)射紅移。

2018年，Permatasari通過微波輔助水熱處理CA和尿素設(shè)計了富吡咯-N的CDs，得到幾種發(fā)光性質(zhì)不同的碳點[33]。對其中3種碳點即550 nm發(fā)射(CDs-550)、650 nm弱發(fā)射(CDs-650L)和650 nm強發(fā)射(CDs-650)進行XPS分析。CDs-550主要含有石墨N(80.3%)，而CDs-650L和CDs-650主要含有吡啶N(64.4%和70.9%)。結(jié)果表明，紅光發(fā)射的CDs-650L和CDs-650富含吡咯N，吡咯N濃度隨吸收峰強度的增大而增加，大量的吡咯N會使電子密度增大，使電子波通過碳點表面?zhèn)鞑?，最終使電子穿透電子躍遷禁帶。2020年，Wang使用鄰苯二胺合成了綠色碳點(G-CDs)，還用鄰苯二胺和4-氨基苯酚制備N摻雜碳點(M-CDs)[34]，經(jīng)過分析比較，M-CDs的光致發(fā)光量子產(chǎn)率(32.5%)比G-CDs(6.1%)高得多。通過對兩種CDs結(jié)構(gòu)和組成的分析可得N摻雜的M-CDs中吡咯氮和氨基氮比例更高，因此具有更長的發(fā)射波長和更高的QYs。高比例的吡咯氮和氨基氮還使碳點溶劑化變色位移更大。

除了使用N元素摻雜外還有許多非金屬元素被摻入碳點以改善碳點的發(fā)光性質(zhì)，使得其熒光發(fā)射紅移，比較有代表性的有B元素和S元素。2019年，Pang以甲酚紫和硼酸為原料[35]，水熱合成了紅色發(fā)射型硼氮共摻雜碳點(BN-CDs)。BN-CDs具有良好的光穩(wěn)定性、低細胞毒性，最大激發(fā)/發(fā)射波長為520/616 nm，量子產(chǎn)率為18%。在該BN-CDs中，硼的含量高達27.4%，遠遠高于之前報道的大多數(shù)用B原子修飾的CDs。作者認為B原子摻雜可以有效改善CDs的光學(xué)性能，為碳點提供更多可用的官能團，因此可以獲得具有優(yōu)異光學(xué)性能的長波長發(fā)射CDs。2020年，Gao報道了使用鄰苯二胺和DMF溶劑熱制得綠色碳點，而后通過S元素摻雜得到的碳點的發(fā)光紅移至550～575 nm處。作者表征了兩種碳點后發(fā)現(xiàn)S摻雜能顯著增加石墨N的含量，導(dǎo)致熒光從綠色向黃色轉(zhuǎn)移。而后作者又使用水工程使得碳點表面產(chǎn)生羧基，提高表面氧化程度，從而進一步促進其PL由黃色向紅色的移動(至625 nm處)。除此之外，許多工作也報道了F元素的摻雜可以有效地改善碳點的熒光性質(zhì)。Ding發(fā)現(xiàn)F元素摻雜誘導(dǎo)CDs的表面和邊緣形成C—F鍵[36]，這使得溶液態(tài)下的CDs發(fā)射紅移和熒光量子產(chǎn)率增加。并且F元素誘導(dǎo)的缺陷在勢阱捕獲激子從而使電荷優(yōu)先聚集在缺陷周圍，在缺陷周圍激子重組產(chǎn)生紅色固態(tài)熒光。值得注意的是，這項工作是首次報道固體CDs具有676 nm的長波長熒光發(fā)射，是碳點固態(tài)紅色熒光的一大突破性進展。

3.2.2 金屬離子摻雜

與非金屬雜原子相比，金屬離子可以與親電子基團螯合，調(diào)節(jié)CDs的PL行為[37]。金屬離子的引入可以向CDs貢獻電子，從而改變CDs內(nèi)部的電子環(huán)境，改善碳點電荷密度和可調(diào)電子能級。

稀土離子的摻雜對CDs的發(fā)射波長和強度有顯著的調(diào)節(jié)作用。2018年，Yang通過碳點與七水氯化鑭微波輻射加熱將La3+引入CDs的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[38]，有效調(diào)節(jié)CDs的熒光性質(zhì)，提高CDs的性能，從而導(dǎo)致紅移發(fā)射。作者推斷發(fā)射的增強和紅移是由于CDs核中La—O鍵的形成，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)改變，能量間隙縮小，電荷轉(zhuǎn)移增加。

同時期也有研究者使用過渡金屬離子摻雜改善碳點熒光性質(zhì)。2019年，Yu課題組使用2,2′-(乙烯二氧)雙(乙胺)與醋酸錳(II)四水合物合成了錳摻雜碳點(CDs@MnAPO-CJ50)，研究表明，作為能量受體的雜原子決定了復(fù)合材料的熒光發(fā)射[39]。根據(jù)晶體場理論，不同的晶體場會導(dǎo)致不同的分裂，從而導(dǎo)致分裂能級之間的能量間隔不同。在Mn2+離子的情況下，未填充的三維電子層中有5個d電子和16個不同能級的靜電項。據(jù)報道，八面體Mn2+離子通常具有紅色發(fā)射，眾所周知，供體和受體之間的距離是能量轉(zhuǎn)移(ET)的關(guān)鍵因素。原位點陣合成方法導(dǎo)致CDs緊密嵌入晶體基質(zhì)的間斷納米空間中。CDs與基體之間的氫鍵相互作用使得CDs與框架中的Mn2+離子之間的距離非常近，從而有利于碳點-矩陣能量轉(zhuǎn)移(CMET)的發(fā)生。通過該理論設(shè)計合成的碳點在620 nm有很強的紅光發(fā)射。由此可見，金屬離子經(jīng)過合理的設(shè)計以恰當?shù)姆绞綋诫s進入碳點可以卓有成效地提高碳點的熒光發(fā)射性質(zhì)，將原來碳點的最大發(fā)射波長提高到紅光區(qū)域。

3.3 表面態(tài)修飾

很多研究都指出碳點的表面有著豐富的官能團，這些官能團對于碳點PL性質(zhì)有著重要的影響，有研究者認為碳點的PL中心就位于碳點表面。從發(fā)光機理上來說，不同的表面態(tài)意味著不同的能級，這導(dǎo)致了許多電子躍遷的可能性和不同的PL性質(zhì)。因此，使用合理的方法修飾碳點表面態(tài)也是調(diào)節(jié)碳點PL發(fā)射至長波長區(qū)域的重要手段。

2015年，Xiong課題組選擇尿素和對苯二胺水熱法制得碳點[40]，經(jīng)過硅膠柱層析純化后，獲得8種不同熒光發(fā)射的碳點，它們的發(fā)射峰從440～625 nm，幾乎覆蓋整個可見光區(qū)域。這些碳點前驅(qū)體、溶劑、合成方法、粒子大小完全相同，但是熒光性質(zhì)卻天差地別。作者使用多種表征手段分析這些碳點后發(fā)現(xiàn)不同的只是表面態(tài)，這些碳點表面氧化程度不同(表1)。因此作者認為，隨著碳點表面態(tài)氧化程度的增加(碳氧雙鍵和羧基比例提高)，帶隙逐漸減小，碳點發(fā)射顯著紅移。

表1 對4種典型CDs樣品的C1s光譜進行XPS數(shù)據(jù)分析[40]Tab.1 XPS data analysis of C1s spectra of four typical CDs samples[40]

近年來對于表面態(tài)的研究也有了新的進展，Nguyen以1,2,4,5-苯四羧酸和2,7-二氨基芴溶劑熱法合成CDs[41]，通過與Xiong相同的硅膠柱層析法分離出不同極性的碳點，實驗數(shù)據(jù)表明,表面態(tài)氧化程度增大導(dǎo)致碳點上具有光學(xué)活性的缺陷變多。這樣的缺陷越多越會增加具有更小能量隙的缺陷的概率，從而產(chǎn)生紅光發(fā)射。控制含氧缺陷的數(shù)量是調(diào)控的關(guān)鍵。作者認為表面的氧化缺陷數(shù)量與發(fā)射波長紅移成正相關(guān)。

2020年，Kundelev對碳點的發(fā)光機理進行了理論計算分析[42]，假設(shè)附著在碳點表面的多環(huán)芳烴(PAHs)分子狀亞基決定碳點的光學(xué)性質(zhì)。這些多環(huán)芳烴亞基有3種典型的偶聯(lián)類型，分別是非相互作用的單體、非共價結(jié)合的二聚體、以及與2、3或4個碳鍵結(jié)合的共價結(jié)合的二聚體。當自由單體被共價鍵橋中心取代時，碳點的發(fā)射峰變寬、出現(xiàn)紅移但同時發(fā)射強度減弱。這一理論研究結(jié)果表明，設(shè)計合成表面具有許多弱相互作用發(fā)射中心的碳點是實現(xiàn)其高效紅色光致發(fā)光的有效途徑，也是通過表面態(tài)調(diào)控碳點發(fā)射紅移的又一典型案例。

4 紅光/近紅外發(fā)射碳點最新應(yīng)用

紅光/近紅外發(fā)射碳點的應(yīng)用近年來得到了顯著的擴展，其在化學(xué)傳感[43-44]、抗菌[45]、生物傳感[46-47]、生物醫(yī)學(xué)[48-49]、熒光成像[50-51]、光伏器件[52-53]、光催化[54]等方面的應(yīng)用都受到了廣泛的關(guān)注。本文主要介紹紅光/近紅外發(fā)射碳點在生物成像、疾病治療和制作WLEDs方面的最新進展。

4.1 生物成像

目前生物成像使用的多為有機染料和傳統(tǒng)量子點，與這兩種材料相比，使用碳點應(yīng)用于生物成像具有明顯的優(yōu)勢，其優(yōu)異的光穩(wěn)定性和良好的生物相容性極大地提升了其在生物傳感方面的潛力。

2019年，Hua以對苯二胺和鎳離子(Ni2+)為原料[55]，制備了具有最高QY的Ni-pPCDs，金屬離子在合成過程中起到了類似催化劑的作用。該碳點擁有不依賴激發(fā)的發(fā)射(約在605 nm)、極性敏感性和核糖核酸響應(yīng)性。用Ni-pPCDs(5 μg/mL)處理活細胞30 min，然后得到了552 nm激發(fā)、660 nm損耗的免洗受激發(fā)射損耗熒光電鏡(STED)圖像。細胞及其核仁放大的共聚焦和STED圖像如圖7所示。這是首次報道的在免洗情況下通過紅色發(fā)光CDs實現(xiàn)核仁的超分辨率成像，顯示了CDs在精確生物成像和核仁相關(guān)研究方面的巨大應(yīng)用潛力。

圖7 (a)STED圖像；(b)Ni-pPCDs染色的代表性A549細胞共聚焦圖像[55]。Fig.7 (a)STED image.(b)Confocal image of a representative A549 cell stained by Ni-pPCDs[55].

2020年，Sun使用N-苯基-鄰苯二胺成功制備了具有良好生物相容性的主發(fā)射帶位于遠紅色區(qū)域的苯基碳點[56]。采用CCK-8法評價了苯基碳點的細胞毒性。結(jié)果表明，即使在80 μg/mL的濃度下，細胞存活率也在95%以上。作者還進一步研究了苯基碳點在HeLa細胞中的通透性，發(fā)現(xiàn)40 s就可以觀察到細胞內(nèi)有明顯的熒光，碳點的通透性也達到了生物成像要求。用二硫蘇糖醇(DTT)刺激細胞，實時監(jiān)測活細胞極性的變化。以苯基-CDs染色的HeLa細胞為對照組，同時以苯基碳點染色HeLa細胞與5 mmol/L DTT孵育為實驗組。與對照組相比，實驗組的熒光強度明顯降低到對照組的60%(圖8)，細胞在DTT刺激下由梭形變?yōu)椴唤】祱A形。這些結(jié)果可以歸因于溶酶體極性的改變。結(jié)果表明，該碳點可用于實時監(jiān)測溶酶體極性的變化。

圖8 (a)～(h)不同時間40 μg·mL-1苯基CDs處理HeLa細胞的CLMS圖像(0～12 min)；(i)HeLa細胞與苯基CDs孵育0～12 min(λex=530 nm，λem=550～650 nm)對應(yīng)的熒光強度(統(tǒng)計細胞數(shù)量:10)。比例尺:25 μm[56]。Fig.8 (a)-(h)CLMS images of HeLa cells treated with 40 μg·mL-1 phenyl-CDs at different time(0-12 min).(i)Corresponding fluorescence intensities of HeLa cells incubated with phenyl-CDs for 0-12 min(λex=530 nm,λem=550-650 nm)(statistical quantity of cells：10).Scale bar：25 μm[56].

同年，Jiang將檸檬酸尿素在氟化銨輔助作用下溶劑熱制得UV-Vis-NIR全范圍響應(yīng)型氟和氮摻雜CDs(N-CDs-F)，其多光子吸收截面大于傳統(tǒng)有機化合物[57]。此外，N-CDs-F在體內(nèi)外均表現(xiàn)出明亮的深紅色至近紅外熒光。作者分別向小鼠腹腔注射1mg/mL的N-CDs-F和未摻雜CDs(檸檬酸尿素碳點)。與未摻雜的CDs相比(圖9(a))，注射了N-CDs-F的小鼠腹部在510 nm激發(fā)下顯示出強烈的紅色熒光，說明N-CDs-F可以有效進入小鼠的皮膚和組織(圖9(b))?；贜-CDs-F的近紅外吸收/發(fā)射特性和較低的體外細胞毒性，研究者還利用近紅外激光進一步研究其體內(nèi)相容性和生物分布。在水溶液中分別注射N-CDs-F和未摻雜CDs的小鼠被735 nm激光刺激。注射N-CDs-F的小鼠腹腔顯示出強烈的紅色熒光(圖9(d))，而注射了未摻雜CDs的小鼠則沒有顯示任何熒光信號(圖9(c))。因此，這些結(jié)果表明N-CDs-F具有較強的組織穿透能力，可以作為一種有效的近紅外發(fā)光探針用于體內(nèi)成像。

圖9 CDs(a)和N-CDs-F(b)(λex=510 nm，λem=630 nm)皮下注射處理的裸鼠體內(nèi)熒光圖像；皮下注射CDs(c)和N-CDs-F(d)(λex=735 nm，λem=785 nm)的裸鼠體內(nèi)近紅外熒光圖像。色條表示熒光強度[57]。Fig.9 CDs(a)and N-CDs-F(b)(λex=510 nm,λem=630 nm)in vivo fluorescence images of nude mice treated by subcutaneous injection.NIR fluorescence images of nude mice injected subcutaneously with CDs(c)and N-CDs-F(d)(λex=735 nm,λem=785 nm).The color bars indicate the fluorescence intensity[57].

4.2 疾病治療

紅光碳點在早期研究中就因其先天具有強的組織穿透性、優(yōu)異的生物相容性和光學(xué)穩(wěn)定性而被認為是一種新興的用于先進生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的納米材料。近年來對于將碳點應(yīng)用于疾病治療方面的研究層出不窮[58]。

2020年，Geng以1,3,6-三硝基芘(TNP)這一獨特前驅(qū)體制得了在NIR-Ⅱ窗口光熱轉(zhuǎn)換效率很高的碳點(NIR-Ⅱ-CDs)[59]，作者改變前驅(qū)體質(zhì)量比制備了石墨N含量可控的碳點。研究結(jié)果表明：(1)在808 nm和1 064 nm處的吸光度與石墨N含量成正比，(2)光熱η隨石墨氮含量的增加而顯著增大。基于這些實驗結(jié)果，作者推斷出該NIR-Ⅱ-CDs的一種獨特的光熱轉(zhuǎn)換機制。將其中高效的近紅外吸收和光熱轉(zhuǎn)換歸因于摻雜石墨的N位作為順磁的F中心。在NIR-Ⅱ窗口(1 064 nm)的深度組織，光熱-化學(xué)療法(Photothermal-chemo combination therapy，PCT)的療效進一步評估，使用包裹10 mm雞乳房組織的腫瘤模擬臨床場景。將含有NIR-Ⅱ-CDs的藥物溶液靜脈注射到4T1荷瘤小鼠體內(nèi)，然后進行1 064 nm激光照射。經(jīng)PCT治療后，腫瘤完全根除，無復(fù)發(fā)(圖10)。此外，治療后小鼠體重沒有明顯下降，證實了不良反應(yīng)可忽略。結(jié)果表明，基于NIR-Ⅱ-CDs的PCT在NIR-Ⅱ窗口具有超高光熱轉(zhuǎn)換效率和脂質(zhì)體的傳遞能力，這些優(yōu)秀的性質(zhì)導(dǎo)致了出色的深層組織治療效果。

圖10 不同治療后18 d 4T1腫瘤小鼠的代表性照片，腫瘤用紅色圓圈標記[59]。Fig.10 Representative pictures of 4T1 tumor mice 18 d after different treatments.The tumor is marked with a red circle[59].

除了可以通過優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)換性質(zhì)進行光熱-化學(xué)治療外，有報道還發(fā)現(xiàn)紅光碳點可以靶向抑制特定蛋白質(zhì)以達到治療效果。Chung近期將二甲基氨基丙基乙基碳酰胺與檸檬酸碳點反應(yīng)[60]，使得碳點上的羧基與DNA適配體上的氨基進行化學(xué)偶聯(lián)，制備Aβ特異性適配體功能化碳點(Apta@CDs)。β-淀粉樣蛋白(Aβ)肽聚集物的細胞外沉積是阿爾茨海默病(AD)腦的主要特征。由于Aβ肽聚集物會加重AD患者的神經(jīng)病變和認知障礙，作者希望能夠使碳點靶向抑制Aβ自組裝以達到對AD的治療。該工作測試了Apta@CDs和Aβ物種腦組織之間的結(jié)合相互作用。腦切片首先用Apta@CDs染色，然后用硫黃素S(ThS，經(jīng)典的Aβ聚集探針)反染。如圖11，腦切片的熒光圖像顯示，ThS陽性的Aβ聚集物與Apta@CDs有大量的協(xié)同作用，表明Apta@CDs與嵌入5xFAD小鼠大腦中的Aβ聚集物有特異性結(jié)合。然后研究假設(shè)該碳點通過光觸發(fā)抑制Aβ聚集在患處。為了將Apta@CDs注入并將光線傳遞到靶區(qū)，用0.3 mm厚的透明且柔韌的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜替換了小鼠部分右頂骨，在小鼠大腦上植入了一個顱窗。研究者發(fā)現(xiàn)Apta@CD注射和光照射均能明顯降低LED照射區(qū)ThS陽性Aβ聚集。成像分析顯示，使用Apta@CDs的光調(diào)處理可使Aβ斑塊聚集的數(shù)量和面積減少約40%。而在無光照條件下注射Apta@CDs的對照組，Aβ斑塊聚集的數(shù)量和面積僅減少10%。實驗結(jié)果表明，光觸發(fā)Aβ靶向Apta@CDs擁有顯著治療能力，可以作為一種有效的納米藥劑減少體內(nèi)異常淀粉樣蛋白聚集體的形成。這也表明碳點在疾病治療領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

圖11 體內(nèi)立體定向注射Apta@CDs(3 μL,0.8 mg·mL-1)1周后，5xFAD小鼠冠狀腦切片的示例性熒光圖像。用ThS對腦組織進行Aβ染色。合并圖像底部顯示ThS陽性Aβ物種和Apta@CDs的共定位，比例尺：0.5 mm。分別使用體視顯微鏡中配備的GFP和RFP濾鏡對ThS和Apta@CDs進行成像[60]。Fig.11 Exemplary fluorescence images of 5xFAD mouse coronal brain slices after 1 week of stereotactic injection of Apta@CDs(3 μL,0.8 mg·mL-1)in vivo.The brain tissue was stained with ThS for Aβ.The bottom of the merged image shows the co-localization of ThS-positive Aβ species and Apta@CDs,scale bar：0.5 mm.The GFP and RFP filters equipped in the stereo microscope were used to image ThS and Apta@CDs respectively[60].

4.3 制作WLEDs

白色發(fā)光二極管(White light-emitting diodes，WLED)由于高發(fā)光效率、高亮度和節(jié)能優(yōu)點，是一種具有優(yōu)秀發(fā)展前景的固態(tài)光源。當前商用WLED多使用稀土材料，自然存在原料價格昂貴和高能耗等缺點。過去基于碳點的WLEDs由于其在紅色區(qū)域的發(fā)射強度微弱而遭遇瓶頸，但是近兩年來研究者在探索強紅光發(fā)射碳點方面作出了卓有成效的努力，并取得了許多突破性的進展[61-63]。紅光區(qū)域碳點的發(fā)射效率的提升促進了其在光電子器件應(yīng)用方面的快速發(fā)展。

2019年，Yuan利用間苯二酚為原料合成出純紅色窄帶寬發(fā)射三角形CQDs(PR-NBE-T-CQDs)[64]。該碳點具有高效紅色發(fā)射(光致發(fā)光峰在610 nm，量子產(chǎn)率達72%，半寬僅為33 nm)。通過結(jié)構(gòu)和光學(xué)表征以及詳細的理論計算表明，間苯二酚與間苯三酚不同，其具有較低的反應(yīng)勢壘，因此更容易形成尺寸較大的三角形CQDs，繼而實現(xiàn)純紅色發(fā)射。圖12(a)顯示了三維分層WLED示意圖。這種由PR-NBE-T-CQD薄膜外層和PG-NBE-T-CQD薄膜內(nèi)層結(jié)合在藍色LED芯片頂部的結(jié)構(gòu)使自吸收效應(yīng)最小化，效率最高。為了匹配人眼對藍光的敏感區(qū)域，作者選擇了發(fā)射波長為450 nm的藍光LED芯片。這盞燈在20 mA的電流下發(fā)出明亮的白光。制備的WLEDs的電致發(fā)光光譜(Electroluminescence，EL)明顯由3個發(fā)射波段組成，峰值分別在450，522，615 nm，窄FWHM分別為18，32，33 nm，分別對應(yīng)藍光LED芯片、PG-和PR-NBE-T-CQDs薄膜的發(fā)射(圖12(b))。優(yōu)化后的器件在20 mA電流驅(qū)動下發(fā)光效率為86.5 lm·W-1，坐標值為(0.35,0.33)，顯色指數(shù)(CRI)為56.9。WLEDs的色域?qū)掃_110% NTSC標準，甚至可以與成熟的高色純度鈣鈦礦量子點和基于半導(dǎo)體量子點的WLEDs相媲美。

圖12 (a)WLED設(shè)備原型的配置示意圖和WLED燈在20 mA下運行的照片;(b)白光LED的EL光譜[64]。Fig.12 (a)Configuration diagram of the prototype of the WLED device and the photo of the WLED lamp running at 20 mA.(b)EL spectrum of white LED[64].

2020年，Li以鄰苯二胺和三異丙基乙磺酰為前驅(qū)體采用溶劑熱法合成出藍綠紅三色發(fā)射CDs[65]。這三種碳點擁有寬的半峰寬(109～120 nm)以及較高的量子產(chǎn)率(最高64%)。各項實驗表征表明，這三種CDs的三色發(fā)射與sp2共軛域大小和石墨氮的含量有著密切的關(guān)系。碳點粒徑的增大以及石墨氮含量的增加都使得碳點發(fā)光出現(xiàn)紅移。由于該系列碳點具有寬粒度分布的特點，因此這三色碳點都有著超寬帶發(fā)射。作者將三色CDs分散在PVA高透明聚合物基體中，制備了紅/綠/藍三色CDs薄膜，將三色碳點薄膜與UV-LED芯片相結(jié)合制成了CRI高達93.1～96.5的WLED。該WLED的相關(guān)色溫(Correlated color temperature，CCT)可從冷白光(8 203 K)調(diào)至暖白光(3 750 K)(圖13)，并在20 mA連續(xù)工作48 h后，EL強度仍有初始值的91.2%，具有良好的光穩(wěn)定性。

圖13 基于三色碳點的WLED CIE顏色坐標[65]Fig.13 CIE color coordinates of WLEDs based on tricolor CDs[65]

5 總結(jié)和展望

本文綜述了國內(nèi)外近年來R/NIR-CDs的典型前驅(qū)體、總結(jié)其光學(xué)調(diào)控的方法、熒光發(fā)光機理以及生物與醫(yī)藥學(xué)等方面應(yīng)用的最新進展。主要總結(jié)了檸檬酸、苯二胺等合成紅光/近紅外發(fā)射碳點的典型前驅(qū)體，以及尺寸效應(yīng)、雜原子摻雜、表面態(tài)等在光學(xué)調(diào)控方面的作用機理。盡管碳點在紅光/近紅外發(fā)射調(diào)控方面取得了長足的進步，但其仍存在熒光量子效率低、半峰寬較寬且有激發(fā)波長依賴等明顯缺陷，制備量子效率高、半峰寬窄、無激發(fā)波長依賴的深紅光/近紅外光碳點是目前亟需解決的難題。首先，碳點的PL的機理仍然存在諸多爭議，以碳點熒光來源機理為例，既有碳點本征發(fā)光機理即將熒光歸屬于碳點石墨烯片層結(jié)構(gòu)中離域π電子的躍遷，也有表面缺陷態(tài)發(fā)光機理即碳點表面的雜原子官能團破壞了碳點中的共軛結(jié)構(gòu)，進而在碳點表面形成了含氧或多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致熒光的產(chǎn)生。這些機理孰更為接近碳點的真實熒光產(chǎn)生過程亦或是相輔相成，在不同的條件下占據(jù)主體地位，目前尚不清楚。因此，需要一種全面而綜合的發(fā)光機理來指導(dǎo)紅光/近紅外發(fā)射碳點的合成與應(yīng)用。其次，紅光/近紅外發(fā)射碳點合成中存在成本高、重復(fù)性不穩(wěn)定、產(chǎn)量較低的問題，并且大多數(shù)碳點后處理提純手段復(fù)雜且費時，這些問題限制了紅光/近紅外發(fā)射碳點在實際應(yīng)用上的發(fā)展。因此，在碳點合成提純方面亟需合理高效的理論與方法的研究探索。

綜上所述，盡管在探索的道路上還存在著諸多挑戰(zhàn)，但是紅光/近紅外發(fā)射碳點由于其優(yōu)異的PL性質(zhì)、良好的生物相容性、出色的光電穩(wěn)定性，相信會在未來生物成像、癌癥治療、加密防偽和光電器件等領(lǐng)域具有出色的應(yīng)用前景與價值。