安徽大學在新型螢光碳納米材料研究取得新進展

碳點(CDs)具有優良的光學性能和細胞相容性，是應用於生物醫學領域的理想納米材料。然而，CDs在近紅外(NIR)區域的微弱響應阻礙了其實際應用。

近日，安徽大學畢紅教授團隊與田玉鵬教授團隊以及鄭州大學盧思宇教授合作，在新型近紅外多光子發射碳點的可控制備和生物標記的相關研究取得重要進展。三個團隊通力合作，設計併合成了具有特殊的電子供體構型的氟、氮共摻雜碳點，表現出更優異的雙光子以及獨特的三光子和四光子激發的上轉換螢光、紫外-可見-近紅外全範圍響應等特性，具有更低的HOMO-LUMO能級差，而且呈現出大為增強的非線性光學性質，這項研究有望推動碳點進一步適用於醫學上的腫瘤成像與癌症早期診斷。這一進展以「UV-Vis-NIR Full-Range Responsive Carbon Dots with Large Multi-Photon Absorption Cross-Sections and Deep-Red Fluorescence at Nucleoli and in Vivo」為題發表在《Small》，同時該被選為期刊back cover issue文章。安徽大學為該論文的第一單位，17級碩士研究生蔣磊和18級碩士研究生丁海貞為該文的共同第一作者。

考慮到N - /F -基團的電子給體/受體性質，通過將F -和N -摻雜在一起來增加非苯環體系CDs的單共軛域(鏈)長度可能是一種有效的策略。這種方式可以形成一種D‐π‐A模式，促使CDs的紅移，並增加其NLO特性。在此，通過單鍋溶劑熱法設計併合成了一種新型摻F‐和N‐的CDs (N‐CDs‐F)，在NH4F的輔助下採用特殊的D‐π‐A模式。重要的是，合成的N‐CDs‐F在紫外-可見-近紅外範圍內表現出全光譜響應特性。更有趣的是，與未摻氣的CDs相比，N‐CDs‐F具有獨特的2‐、3‐和4‐光子激發上轉換螢光，並伴有相當大的MPA (2PA、3PA和4PA)橫截面。在合成過程中，首次使用氟化氨(NH4F)製備D‐π‐A共軛CDs，據報導其3PA和4PA截面比傳統有機D‐π‐A化合物更大。此外，N‐CDs‐F在深紅色至近紅外區域也表現出優異的吸收/發射，這表明它可以進一步應用於體內外成像。

總之，論文設計併合成了UV-vis-NIR全範圍響應氟和氮摻雜CDs(N‐CDs‐F)，其具有良好的供體‐單-受體(donor‐π‐acceptor (D‐π‐A) )配置，並表現出優秀的雙光子(雙光子= 1060 nm)、三光子(雙光子= 1600 nm)和四光子(雙光子= 2000 nm)激發上轉換螢光。報導了在氟化氨輔助下由溶劑熱合成的D‐π‐A‐共軛CDs，與傳統有機化合物相比具有更大的多光子吸收(MPA)截面(3PA: 9.55 × 10−80 cm6 s2 photon−2, 4PA: 6.32 × 10−80 cm8 s3 photon−3)。此外，在體外和體內，N‐CDs‐F在近紅外螢光下均顯示出明亮的深紅色，甚至可以染色腫瘤細胞的核仁。提出了通過N-H···F形成的強大的碳點間和點內氫鍵可以促進共軛sp2領域的擴大機制,這樣不僅降低了最高佔據分子軌道-最低未佔據分子軌道的能級，而且比未摻雜CD具有更大的MPA截面。

本進展感謝國家自然科學基金（51772001）和現代生物製造安徽省重點實驗室的資助與支持。

來源：新材料資訊、安徽大學

文章連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202000680