吉林大学杨柏Adv. Mater.：具有超窄半峰宽的深红碳化聚合物点

【研究背景】

碳点凭借其丰富且低廉的碳源，良好的生物相容性，较高的荧光量子效率及较低的生物毒性等优势而备受关注，在诸多领域有着重要的商业应用前景，尤其是在生物成像方面。而窄的半峰宽发射对于增强成像对比度、减小背景噪声，提高显示器件的色纯度，甚至用作激光发射材料等方面意义重大。此外，制备发射波长大于660 nm （深红色荧光窗口）的高性能碳点也有利于深层组织成像，但同时获得半峰宽窄、量子效率高、生物相容性好的深红光/近红外光碳点仍是一个重大挑战。

【成果简介】

近日，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室杨柏研究组报道合成了一种半峰宽约为20 nm（目前报道的最小值）、发射波长在673 nm、毒性低、生物相容性好的深红光碳化聚合物点 （Carbonized Polymer Dots, CPDs）。在二甲基亚砜（DMSO）溶液中，413 nm和660 nm激发光激发下，该深红光CPDs的量子效率分别高达59%和31%，是目前已报道的红光/近红外光碳点的最高量子效率。实验表明，荧光基元单一，能级结构简单以及N杂环和芳香环构成的共轭结构的完整性是深红光CPDs主要的荧光机理。此外，该工作首次深入探讨了CPDs的核壳结构及聚合物特性，分析了CPDs在体内的肾脏及肝胆代谢途径，并将其用于单光子和双光子生物成像。该文章近日以题为“Deep Red Emissive Carbonized Polymer Dots with Unprecedented Narrow Full Width at Half Maximum”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、碳化聚合物点（CPDs）的合成及光学性质

a）制备示意图。

b）吸收光谱。

c）荧光（PL）光谱。

d）不同激发光下的光学照片。

e）不同激光功率下的双光子荧光光谱。

f）CPDs的积分荧光强度与激光功率平方之间的关系。

图二、CPDs的形貌及聚合物特性

a）透射电子显微镜图。

b）原子力显微镜图。

c）热重分析（红色曲线）和微分热重分析（蓝色曲线）图。

d）差示扫描量热分析。

e）环境温度为20 ^oC时，CPDs的粘度与剪切速率之间的关系，插图：干燥后CPDs的照片。

f）温度对CPDs粘度的影响。

图三、CPDs的荧光机理

CPDs在670 nm（a）和720 nm（b）处的PL衰减曲线。

c）CPDs的瞬态吸收（TA）光谱的3D伪彩色图。

d）不同时间延迟下的TA光谱。

e）不同特征波长的动力学衰减曲线，实线为拟合曲线。

f）全局拟合结果分析。

图四、CPDs的荧光机理

a）c-CPDs的荧光光谱。

b）CPDs（红色曲线）和c-CPDs（黑色曲线）的吸收光谱。

c）CPDs（红色曲线）和c-CPDs（黑色曲线）的傅立叶变换红外光谱。

CPDs的高分辨率d）C1s X射线光电子能谱（XPS），e）N1s XPS和f）O1s光谱。

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

图五、CPDs的单光子和双光子生物成像

a1-a3）不同激发光下的单光子细胞成像，b）双光子细胞成像，c-h）活体成像及各器官成像分析。

【结论展望】

综上所述，作者以红豆杉树叶为前驱体，通过溶剂热合成方法，柱层析提纯技术制备了半峰宽约为20 nm的深红光CPDs。在413 nm和660 nm激发光激发下，CPDs的量子效率分别高达59%和31%。实验发现，CPDs的结构不同于已报道的碳量子点材料。其具有核壳结构，主要含有羟基，氨基，芳香环，N杂化环，醚键等化学键。CPDs最外层是碳化程度较低的聚合物链；而碳核主要是由聚合物链的交联、碳化形成的。进一步研究表明，荧光基元单一，能级结构简单以及N杂环和芳香环构成的共轭结构的完整性是深红光CPDs主要的荧光机理。此外，CPDs在深红光区域表现出较强的吸收和发射，具有低毒性和良好的生物相容性，且官能团丰富易于修饰，单光子和双光子生物成像效果佳。该工作不仅使研究者们了解了碳点材料的聚合物特性，而且为生物医学及光电器件领域提供了一种新的深红光纳米材料。

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

课题组简介：

杨柏，现任吉林大学教授。1980年入吉林大学化学系高分子化学专业学习，1991年获吉林大学高分子化学与物理专业博士学位。长江学者、国家杰出青年基金获得者（1999）、国家自然科学基金委“创新研究群体”学术带头人（2009）。曾任吉林大学合成与催化研究所副所长（1997-2001）、化学学院副院长（2001-2004）、化学学院院长（2008-2012）、超分子结构与材料教育部重点实验室主任（2004-2007）及超分子结构与材料国家重点实验室主任（2007-2014）。

杨柏教授主要从事“聚合物微纳结构与光功能材料”研究，目前主要研究兴趣:（1）碳化聚合物点及其生物医学与光电材料应用；（2）聚合物纳米复合与光学材料；（3）聚合物多级有序微结构与光子响应材料用于生物分子响应与检测等。相关研究共发表SCI论文550余篇，论文被SCI引用2万7千余次，H因子77。受邀在国际和全国学术会议上做大会报告和邀请报告100余次，获授权中国发明专利40余件。作为第一完成人2010年获国家自然科学二等奖。

本文由大兵哥供稿。

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